Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физические основы методов контроля и испытания. Учебное пособие
.pdf
– 31 –
TdES
E
EdTD
T
лических материалах, например керамике. Монокристаллический
кварц имеет более высокую температурную стабильность, химиче-
скую стойкость и прочность, чем пьезокерамика. Но чтобы получить
хорошие пьезоэлектрические свойства, кварцевые монокристаллы
должны быть точно ориентированы, причем следует использовать
только идеальные кристаллы. Пригодные формы кристаллов также
ограничены простейшими конфигурациями, например пластинками
или дисками.
В отличие от естественных кристаллов, таких, как кварц или
турмалин, пьезокерамика не имеет пьезоэлектрических свойств сразу
после изготовления из–за хаотической ориентации электрических ди-
полей. Подвергая ее воздействию электрического поля в диапазоне от
10 до 30 кВ/см при температуре несколько ниже температуры Кюри,
можно ориентировать материал так, что он будет действовать как мо-
нокристалл. Преимущество пьезокерамики заключается в том, что из
нее можно изготавливать образцы сложной конфигурации; она химически стойкая и может изготавливаться по стандартным технологиям
для керамических материалов.
В керамических материалах может иметь место частичная или
полная деполяризация с потерей пьезоэлектрических свойств:
− если материал подвергается воздействию сильного перемен-
ного поля или постоянного поля, противоположного первоначальному направлению поляризации;
− если температура возрастает выше точки Кюри;
− если механическое воздействие на материал превышает опре-
деленный уровень.
В пьезоэлектрических материалах соотношения между электрическим полем Е и результирующей индукцией D и между механическим натяжением Т и результирующей деформацией S в материале
описываются выражениями:
Здесь
– диэлектрическая восприимчивость материала, – его коэф-
, (1.18)
. (1.19)
– 32 –
T
DgTE
gDTS
D
ETdk
22
DT
gkk
2122
)1(
Рис. 1.23. Направленные свойства пьезоэлектрических констант:
а – повороты осей, б – g33, в – g24
фициент упругой податливости. Индексы Т и Е означают, что и
измеряются при постоянных механической силе и электрическом поле
соответственно, символом d обозначен заряд на единицу приложенно-
го давления при постоянном электрическом поле; этим же символом
может обозначаться механическое напряжение на единицу приложенного поля при постоянном давлении. Следовательно, d представляет
собой пьезоэлектрический коэффициент заряда материала и измеряется в единицах [м/В].
Другой коэффициент, называемый пьезоэлектрическим коэффи-
циентом напряжения g, определяется формулами (1.20) и (1.21) и измеряется в единицах [В·м/Н]:
Коэффициент электромеханической связи пьезоэлектрического
устройства определяется выражениями
или
При низких частотах, ниже частоты механического резонанса
материала, k2 есть мера количества энергии, приложенной в одной из
форм (механической или электрической), которая преобразуется в
другую форму.
, (1.20)
. (1.21)
(1.22)
. (1.23)
– 33 –
Таблица 1.2. Пьезоконстанты некоторых материалов
Параметр
Кварц,
Х – cрез
Сульфат
лития,
Y – срез
Титанат
бария
Цирконат – тита-
нат свинца
РZТ –4
РZТ –5
Максимальная рабочая температура, °С
550
75
90
250
300
Плотность, кг/м
3
2,7·10
3
2,1·10
3
5,6·10
3
7,6·10
3
7,7·10
3
Диэлектрическая постоянная
4,5
10,3
1700
1300
1700
Константа пьезоэлектрического заряда d33,
м/В
2,3·10
–12
1,6·10
–11
1,5·10
–10
2,9·10
–10
3,7·10
–10
Константа пьезоэлектрического напряжения g33, В·м/Н
0,058
0,18
0,014
0,026
0,025
Коэффициент электромеханической связи k33
0,1
0,35
0,48
0,65
0,68
Модуль Юнга, Н/м
2
8,0·10
10
1,2·10
11
8,2·10
10
6,8·10
10
2,9·10
10
Температура Кюри, °С
575 – 120
320
365
Пьезоконстанты d, g и k зависят от направления приложенной
механической силы или электрического поля в кристалле. На рис.
1.23, а показаны шесть возможных направлений, где цифры 4, 5 и 6
указывают поворот вокруг трех осей. Пьезоконстанты записываются с
двумя индексами, например g13, где первый индекс указывает направление генерируемого поля, а второй – направление приложенного механического напряжения. На рис. 1.23, б представлен пример, где
электрическое поле и механическое напряжение действуют вдоль оси
3, а на рис. 1.23, в механическое напряжение действует вокруг оси 4, в
то время как электрическое поле направлено по оси 2. В табл. 1.2 при-
ведены константы для некоторых пьезоэлектрических материалов.
Пьезоэлектрические преобразователи являются автогенерирую-
щими и могут использоваться только для динамических измерений.
Они нашли наиболее широкое применение в акселерометрах и для
измерений вибраций. Типичные характеристики этих устройств: чув-
– 34 –
ствительность 10 – 50 мВ/g, частота 2 Гц – 100 кГц, диапазон 1000 –
20 000 g и импеданс 1 нФ – 500 пФ. Выход от пьезоэлектрических
преобразователей имеет малую амплитуду и высокий импеданс, так
что необходимо согласование по уровню и форме сигнала, прежде
чем он может быть использован. Часто эта согласующая цепь разме-
щается внутри корпуса преобразователя.
1.9. Оптические преобразователи
Оптические преобразователи могут содержать кодирующие уст-
ройства с кодирующими дисками между излучателем и приемником
для измерений положения и скорости. Они могут использовать моду-
ляторы с муаровыми узорами для измерения расстояния или лазерную
интерферометрию для измерения длины, положения и смещения.
Оптические преобразователи можно разделить на группы: фотоэлектронные приемники; фотоприемники на p–n – переходах; фотоприемники без p–n – переходов (объемные).
Основные параметры фотоприемников приведены в табл. 1.3.
1.9.1. Фотоэлектронные приемники
В фотоэлектронных устройствах, например в фотоумножителе,
анодный ток пропорционален интенсивности падающего света. Не-
достатком фотоэлектронных датчиков является то, что они громоздки
и дороги и требуют для работы напряжения от 300 до 2500 В. Их пре-
имущество состоит в том, что они имеют хорошую частотную характеристику и очень высокую чувствительность. Спектральный диапа-
зон чувствительности фотоэлектронных датчиков можно изменять от
100 до 1000 нм выбором материала катода. Обычно эти типы преобра-
зователей не используются в электронных схемах общего назначения,
а применяются для измерительной аппаратуры. Принцип действия
фотоумножителей можно рассмотреть на основе рис. 1.24. На первый
электрод падает фотон света, который выбивает фотоэлектрон и мате-
риала электрода. Этот фотоэлектрон ускоряется разностью потенциалов и при попадании на следующий электрод выбивает уже несколько
фотоэлектронов. Проходя каскад из нескольких электродов, фототок
– 35 –
Таблица 1.3. Сопоставление некоторых типичных фотоприемников
Параметр
Фотосопро-
тивление
Фотоэлемент
Фотогальва-
ни- ческий
элемент
Фотодиод
Фото-
транзистор
Фототиристор
Максимальная температура, °C
75
80
150
125
125
100
Максимальное напряжение, В
1000
2800
0,5
2000
100
200
Максимальный ток,
мА
1000
10
1000 5 50
1500
Рассеиваемая мощность, мВт
20000
1000
400
50
400
2000
Время переключения, мкс
1 – 100
0,1
1 – 100
10
–3
– 1
2 – 100
2
Максимальная частота, МГц
10–3
10
5·10
–3
10
0,1
10–3
Рабочий уровень
падающего излучения, мВт/см2
10
– 3
–
70
10
– 9
–
1,0
10
– 3
–
1000
10
– 3
–
200
10
– 3
–
20
2 – 200
Долговременная
стабильность
*
3 2 1 2 2
2
Максимальная
спектральная чувствительность, мкм
0,6—
2.2
0,1 –
1,0
0,85
0,85
0,8
0,85
Габариты
*
3 4 3 1 2
2
*
1 – соответствует наилучшему или наименьшему значению.
усиливается в несколько раз.
1.9.2. Приборы на p–n – переходах
Фотодиоды. На рис. 1.25 представлена характеристика p-n – пе-
рехода. В отсутствие освещения он ведет себя как обычный диод, но
по мере роста освещения возможно несколько режимов работы. Если
к фотодиоду приложено обратное смещение от внешнего источника Е,
то, соединенный с нагрузкой, он работает в квадранте III и характеризуется линией нагрузки ЕА. В отсутствие освещения через p–n – пере-
ход с обратным смещением течет очень малый ток, который называ-
ется темновым током. Падающий свет создает электронно–дырочные
– 36 –
Рис. 1.24. Конструкция фотоумножителя
Рис. 1.25. Фотоприемники на p–n –
переходах
пары в p–n – переходе, и
они переносятся через p–n
– переход внешним сме-
щением. Фотодиод харак-
теризуется электронной
эмиссией на квант света
(или квантовым выхо-
дом), которая составляет около 95 %.
Шумы, генерируемые в фотодиоде, выражаются через эквива-
лентную мощность шумов, которая представляет собой количество
света, необходимое, чтобы обеспечить сигнал, эквивалентный уровню
шумов. Диодные шумы возрастают с площадью p–n перехода, поэто-
му обнаружительная способность, определяемая как эквивалентная
мощность шумов на единицу активной поверхности, часто используется как характеристика шумов.
Фотодиоды изготовляются из кремния и могут иметь несколько
различных структур, p–i–n – диоды, в которых между p и n – областя-
ми находится промежуточный слой, имеют малую емкость перехода и
более высокое быстродействие, чем обычный фотодиод. Лавинные
фотодиоды, работающие на принципе быстрого лавинного размножения электронов, генерируемых падающим светом в p–n – переходе,
применяются как счет-
чики фотонов. Их не-
достаток в том, что они
имеют относительно
высокий уровень шумов.
В фотоприемниках с
большой поверхностью
используются диоды с
барьером Шотки; в них
тонкий слой золота на-
пыляют на кремний,
чтобы сформировать p–n
– переход. Недостаток
– 37 –
диодов Шотки в том, что они не могут работать при высоких температурах и высоких уровнях облучения.
Фототранзисторы. Фототранзистор можно рассматривать как
фотодиод, соединенный с усилительным транзистором. Он формируется как часть коллекторного p–n – перехода транзистора с обратным
смещением; этот переход должен иметь большую площадь для увели-
чения его эффективности как фотоприемника. Чувствительность фо-
тотранзистора в 100–1000 раз больше, чем у фотодиода, но поскольку
темновой ток также усиливается, то отношение сигнала к шуму не
улучшается. Быстродействие фототранзистора меньше, чем фотодиода, частично из–за паразитной емкости коллектор – база, частично из–
за ограничений на произведение усиления тока на ширину полосы.
Для обеспечения чувствительности, в 10000 раз превышающей
чувствительность фотодиода, можно использовать фототранзистор-
ную пару Дарлингтона. В принципе она состоит из фототранзистора,
питающего транзистор, причем оба устройства выращены на одном и
том же кремниевом кристалле. Фотоприемники на полевых транзи-
сторах имеют в десять раз большую чувствительность, чем биполяр-
ные фототранзисторы, так как повышенный входной импеданс позво-
ляет получить повышенное выходное напряжение от более низкого
входного фототока. В полевом фототранзисторе переход затвор – ка-
нал используется как фотодиод. Он имеет очень низкое напряжение
смещения, но его быстродействие хуже, чем у биполярного фототранзистора.
Фототиристоры. Когда фототиристор облучается, на запираю-
щем переходе генерируются электронно–дырочные пары, которые
могут действовать как триггерный ток, включая устройство. Обычно
от одной из базовых областей делается вывод. Если через этот вывод
подавать прямое напряжение на соответствующий эмиттерный пере-
ход, то можно изменять световой уровень, необходимый для его
включения.
Фототиристор изготовляется из тонких слоев, чтобы обеспечить
большее проникновение света, но, к сожалению, это приводит и к
низкому запирающему напряжению. Прибор имеет p–n – переход с
– 38 –
большой поверхностью, чтобы увеличить световую чувствительность,
но это также делает его более чувствительным к изменениям темпера-
туры и напряжения и увеличивает время переключения по сравнению
с обычными тиристорами. Сопротивления, подсоединенные между
затвором и катодом тиристора, уменьшают его чувствительность к
шумам и вариациям напряжения, но также уменьшают его световую
чувствительность.
Фотоэлементы. Если внешний источник питания не подсоединен к фотодиоду, то падающий свет создает потенциал на p–n – переходе, так что p–слой приобретает положительный потенциал относительно n–слоя. Это вызывает ток через внешнее нагрузочное сопро-
тивление и обратный ток через диод. Такой прибор называется фотоэлементом или солнечным элементом и работает в квадранте IV см.
рис. 1.25. Напряжения V1, V2, V3 – это напряжения холостого хода фотоэлемента, а I1, I2, I3 – токи короткого замыкания.
Максимальное напряжение холостого хода фотоэлемента приближается к ширине запрещенной зоны материала. Если VХХ – напряжение холостого хода, а IКЗ – ток короткого замыкания при заданном
уровне освещенности, то теоретическая максимальная выходная мощность элемента равна VХХ·IКЗ. На практике из–за нелинейности характеристики она равна VM·IM. Коэффициент заполнения элемента определяется отношением VM·IM/ VХХ·I
КЗ .
Если Iр – интенсивность падающего света в [мВт/см2], то КПД
элемента определяется как VM·I
/I
. Фотоэлементы имеют КПД в
M
р
диапазоне от 5 до 25 %.
Различные материалы могут использоваться для изготовления
фотоэлементов. Кремниевые элементы имеют очень большой срок
службы при условии, что они надежно герметизированы. Характеристики элементов могут ухудшаться на 2 – 10 % при ярком свете и вы-
соких температурах. Ширина запрещенной зоны кремния составляет
1,12 эВ, при этом элемент имеет максимальное напряжение холостого
хода 0,6 В. У кремниевого элемента КПД составляет от 12 до 18 % с
теоретическим максимумом около 22%. Имеется несколько основных
– 39 –
Таблица 1.4. Сопоставление некоторых фотоэлементов
Материал
Структура
UХХ, В
jКЗ,
мА/см
2
%
Кремний
Неотражающая
0,6
40
18
Гетеропереход
0,5
25
10
Барьер Шотки
0,6
25
10
Сульфид кадмия
Обычная
0,5
25
6
Арсенид галлия
Гетеропереход
0,9
40
25
Барьер Шотки
0,9
20
15
вариантов кремниевых элементов, их сравнительные данные представлены в табл. 1.4.
Арсенид галлия поглощает свет вблизи поверхности, тогда как в
кремнии поглощение происходит в более глубоких слоях материала.
Следовательно, в кремнии фотовозбужденные носители должны про-
ходить большие расстояния без рекомбинации, и требуется более чис-
тый материал, чем арсенид галлия, чтобы избежать дефектов, на которых возможна рекомбинация.
Ширина запрещенной зоны арсенида галлия составляет 1,35 эВ,
что близко к оптимуму для максимальной эффективности преобразо-
вания солнечного света на земной поверхности. Элемент также очень
хорош при использовании в концентраторах солнечного излучения.
Это, естественно, будет повышать температуру элемента и уменьшать
его фотовольтаическую эффективность, но фототепловая эффектив-
ность будет возрастать, при этом элемент будет обладать высоким
общим КПД вплоть до 25 % при 250 – 300°C и коэффициенте концен-
трации 1000 по отношению к плотности излучения Солнца на земной
поверхности. Недостаток арсенида галлия в том, что это дорогой материал, его поставки ограничены, а применяемый в настоящее время
метод его получения с помощью эпитаксии из жидкой фазы дорог.
Сульфид–кадмиевый фотоэлемент содержит базовый слой n –
типа из сульфида кадмия CdS и тонкий поверхностный слой p – типа
сульфида меди Cu2S. Оба материала сильно поглощают свет; таким
образом, элементы из них гораздо тоньше, чем из кремния.
Основное достоинство сульфид – кадмиевого элемента в том,
– 40 –
Таблица 1.5. Основные характеристики преобразователей
для изменения температуры
Параметр
Термометр со-
противления
Термопара
Термистор
Чувствительность
0,1 – 10 Ом/°C
10 – 50 мкВ/°С
0,1–1,0 кОм/°C
Стабильность (дрейф
за год)
0,01%
0,5 °C
1%
Воспроизводимость
0,05 °C
5°C
0,5 °C
Диапазон температур
+150 ÷ +850°C
–200 ÷ +1600°C
–100 ÷ +350°C
Линейность*
1 2 3
Минимальные габариты
диаметр 5мм
диаметр 0,4 мм
диаметр 0,4 мм
Точность* 1 2
3
Стоимость*
3 1 2
* 1 – соответствует наилучшему или наименьшему значению.
что его изготовление относительно дешево. Элемент имеет теоретический максимальный КПД 18–25 %, но на практике он получается
близким к 5 %. Элемент также нестабилен, высокая температура и
световой поток могут вызвать разложение материала и падение выходной мощности в результате медленного превращения Сu2S в CuS и
в Cu. Даже при нормальных условиях элемент теряет порядка 10 %
его выходной мощности после года работы из–за воздействия паров
воды и окисления.
1.10. Преобразователи для контроля температуры
Существуют три основных типа приборов для температурных
измерений: термометры сопротивления, термопары и термисторы. Их
свойства представлены в табл. 1.5.
Преобразователи для измерения температуры могут монтиро-
ваться на поверхности или погружаться в жидкость. Часто они помещаются в корпус для защиты от окружающей среды. Важно, чтобы
измерительные приборы не влияли на температуру поверхности, например, путем отвода тепла от нее.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]