Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физические основы получения информации. Учебное пособие
.pdf
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Институт истории и международных отношений
высшего образования
В. В. ЗЕМЛЯКОВ, А. Е. ПАНИЧ
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ПОЛУЧЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ
Учебное пособие
2-е издание
Ростов-на-Дону – Таганрог
Издательство Южного федерального университета
2019
ÓÄÊ 53.084.2:621.317(075.8)
ÁÁÊ 22.3ÿ73
Ç53
Печатается по решению кафедры информационных и измерительных
технологий Института высоких технологий и пьезотехники
Южного федерального университета (протокол ¹ 9 от 26 марта 2019 г.)
доктор физико-математических наук, профессор В. Н. Шевченко;
Рецензенты:
кандидат технических наук, доцент Б. В. Рябошапко
Земляков, В. В.
Ç53 Физические основы получения информации : учебное посо-
бие / В. В. Земляков, А. Е. Панич ; Южный федеральный университет. – 2-е издание, переработанное и дополненное. – Ростов н/Д : Издательство Южного федерального университета,
2019. – 124 ñ.
ISBN 978-5-9275-3169-1
Учебное пособие представляет собой переработанное и дополненное из-
дание одноименного пособия, изданного авторами в 2006 г. Пособие знакомит с основами взаимодействия физических полей с веществом и физическими эффектами, используемыми для получения измерительной информации, а также с принципами работы датчиков для создания различных средств измерения, диагностики и контроля.
Предназначено для студентов физических и технических направлений
подготовки.
ISBN 978-5-9275-3169-1
ÓÄÊ 53.084.2:621.317(075.8)
ÁÁÊ ÁÁÊ 22.3ÿ73
© Южный федеральный университет, 2019
© Земляков В. В., Панич А. Е., 2019
© Оформление. Макет. Издательство
Южного федерального университета, 2019
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
ГЛАВА 1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ . . . . . . . . 7
1.1. Резистивные датчики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.1.1. Потенциометры (реостаты) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.1.2. Металлические датчики температуры . . . . . . . . . . . . . . . .8
1.1.3. Полупроводниковые датчики температуры. . . . . . . . . . . . 13
1.1.4. Фоторезисторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.1.5. Датчики деформации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.2. Емкостные датчики. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.3. Термопары. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.4. Пьезоэлектрические датчики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.5. Пироэлектрические датчики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
Задачи к главе 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
Контрольные вопросы к главе 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
ГЛАВА 2. МАГНИТНЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ. . . . . . . . . . . 43
2.1. Гальваномагнитные датчики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.1.1. Эффект Холла. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.1.2. Магниторезисторы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.2. Индукционные датчики. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.3. Индуктивные датчики. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.4. Вихретоковые индуктивные датчики . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.5. Намагничивание и экранирование магнитного поля . . . . . . . . 57
2.6. Анизотропные магниторезисторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.7. Магнитоупругие датчики. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
Задачи к главе 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
Контрольные вопросы к главе 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
ГЛАВА 3. ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ . . . . . . . . . . 65
3.1. Оптическое излучение. Основные законы . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.2. Детекторы светового излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.3. Источники светового излучения и поглощение света. . . . . . . . 71
3.4. Интерферометры. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.5. Волоконная оптика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.5.1. Основная теория оптоволоконных линий (световодов) . . . . 80
3.5.2. Потери в оптоволоконных линиях. . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.5.3. Дисперсия в оптоволоконных линиях . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.5.4. Оптоволоконные датчики изменения интенсивности света 88
3.5.5. Оптоволоконные интерферометры . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
Контрольные вопросы к главе 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
3
ГЛАВА 4. РАДИАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ . . . . . . . 92
4.1. Радиоактивный распад . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.2. Виды радиационного излучения и их взаимодействия с веще-
ством . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.3. Источники радиационного излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.4. Экранирование. Защита от радиационного излучения . . . . . . 101
4.5. Радиационные датчики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.5.1. Газовые датчики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.5.2. Сцинтилляционные датчики. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.5.3. Твердотельные датчики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
Задачи к главам 3 и 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
Контрольные вопросы к главе 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
Приложение. Примеры решения задач . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4
ВВЕДЕНИЕ
Дисциплина «Физические основы получения информации»
обеспечивает изучение физических явлений и эффектов, используемых для получения измерительной и управляющей информации, а также знакомит с принципами работы различных первичных преобразователей для создания измерительных систем.
Современная информационно-измерительная техника располагает средствами измерения более чем двухсот различных физических величин – электрических, магнитных, тепловых, акустических, механических и т. д. Подавляющее большинство этих
величин в процессе измерения преобразуется в величины электрические – как наиболее удобные для передачи, усиления, математической обработки и точного измерения. Поэтому студентам физических и технических направлений подготовки необходимы знания о преобразовании разного рода физических величин в электрические величины.
Необходимость в создании учебного пособия по дисциплине «Физические основы получения информации» продиктована огромным объемом информации, представленной в существующих статьях и монографиях (в том числе и на иностранных языках), посвященных глубокому и детальному анализу
тех или иных методов измерений. В то же время для данной
учебной дисциплины необходимо создать общее и по возможности всестороннее представление о существующих методах измерений и их классификации, опуская материал, изложенный ранее в курсах «Общая физика», «Электротехника и электроника»
и т. д., а также материал других специальных дисциплин, читаемых на старших курсах.
В отличие от предыдущего издания одноименного пособия, изданного авторами в 2006 г. [5], предлагаемое читателям второе
издание содержит материал, переработанный с учетом достижений в этой области за последние почти 15 лет, а также дополнено контрольными вопросами к главам и приложением с подробным решением ряда задач.
Пособие включает в себя информацию по основным методам
измерений. Первая глава посвящена электрическим методам,
включающим в себя резистивные, емкостные, термо- и пьезоэлектрические. Во второй главе изложены методы измерения
5
Введение
магнитных полей. Возможности использования оптических ме-
тодов, в том числе и оптоволоконных технологий, для различных
измерений приведены в третьей главе. Четвертая глава посвяще-
на радиационным методам.
Пособие насыщено примерами и задачами, позволяющими
приобрести практические навыки в области получения информации с помощью различных измерительных систем, а также навыки для осуществления грамотного выбора вида преобразователей информации при разработке конкретного измерительного
устройства или автоматизированного комплекса.
Материал пособия изложен таким образом, чтобы дать читателю возможность последовательно изучить физические явления, лежащие в основе измерительного метода, возможные конструктивные исполнения измерительного элемента, преимущества и недостатки метода, области применения, а также осуществить сравнение с другими методами измерения той или иной
физической величины.
Такое изложение материала выгодно отличает его от аналогичных учебных пособий других авторов (например: [1–4; 6]).
6
Глава 1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
ИЗМЕРЕНИЯ
1.1. Резистивные датчики
Сопротивление резистора зависит от его длины l, поперечного
сечения S и удельного сопротивления материала ρ êàê:
l
= ρ ∫dl/S. (1.1)
R
0
R
= ρ
0
0
1
. (1.2)
S
Если сечение постоянно по его длине, то:
Изменение под действием каких-либо воздействий любого
из элементов, входящих в формулу (1.2), приводит к изменению
сопротивления, которое, в свою очередь, может быть измерено
электрическими методами.
Рассмотрим примеры построения различных датчиков, осно-
ванных на измерении сопротивления.
1.1.1. Потенциометры (реостаты)
Реостатным датчиком называется реостат, движок которого
перемещается под действием измеряемой неэлектрической величины. Естественной входной величиной таких преобразователей
является перемещение движка, а выходной величиной – сопротивление. Таким образом, сопротивление R зависит от позиции x:
R(x) = x · R
– полное сопротивление реостата.
ãäå R
0
, 0 ≤ x ≤ 1, (1.3)
0
В случае ненагруженного реостата его на-
пряжение UR = x · U0. Когда реостат нагружен
на сопротивление Rl (рис. 1.1), его напряжение
U0 · x
U
r
=
1 + (x – x
. (1.4)
R
0
2
)
R
l
Ðèñ. 1.1
7
Глава 1. Электрические методы измерения
Формула (1.4) переходит в формулу (1.3) при Rl → ∞. Для осуществления такого перехода можно использовать схему с опера-
ционным усилителем (рис. 1.2),
одним из свойств которого является бесконечное (в реальности очень большое – ГОм) входное сопротивление.
Ðèñ. 1.2
Область применения: датчики линейного и углового позиционирования.
Преимущества: высокое разрешение, хорошая линейная зависимость, широкий диапазон измерений (≈ 3 м), простые электронные измерительные цепи.
Недостатки: механическая нагрузка (трение), физический
контакт с объектом измерения, низкая скорость (до 10 м/с),
влияние окружающей среды (пыль, вода, вибрации), износ (до
100 млн перемещений).
1.1.2. Металлические датчики температуры
Удельное сопротивление ρ зависит от температуры, причем
по-разному у различных материалов (проводников, полупроводников).
Рассмотрим вначале металлические датчики. Как известно, в металлах имеются свободные электроны, количество которых практически не меняется с изменением температуры. Однако при увеличении температуры увеличиваются скорости колебания атомов кристаллической решетки и хаотического движения электронов, что затрудняет их прохождение через проводник
и приводит к возрастанию сопротивления.
Зависимость сопротивления проводника от температуры описывается полиномом:
R(ΔT) = R
– сопротивление проводника при температуре T0 = 0 °C;
ãäå R
0
(1 + α · ΔT + β · ΔT2 + γ · ΔT3 + …), (1.5)
0
ΔT – разность температур ΔT = T – T0, T – измеряемая темпера-
òóðà; α, β, γ – температурные коэффициенты, зависящие от проводника.
Материалы, применяемые для металлических термодатчиков,
должны обладать высокой стабильностью и линейной зависимо-
8
1.1. Резистивные датчики
стью сопротивления от температуры. На рис. 1.3 и 1.4 приведены соответственно графики зависимости сопротивления платинового (Pt 100) и никелевого (Ni 100) датчиков от температуры
(число 100 в обозначении датчиков соответствует величине сопротивления в [Ом]ах при температуре 0 °С). Как видно из графиков, отклонение от линейной зависимости начинается у платинового датчика с 300, а у никелевого – уже с 40 °С.
Ðèñ. 1.3
Ðèñ. 1.4
9
Глава 1. Электрические методы измерения
В табл. 1.1 приведены температурные коэффициенты и диапазон измерений некоторых наиболее часто используемых металлов. Из этих данных следует, что платина является на сегодняшний момент наиболее подходящим материалом для термических датчиков.
Таблица 1.1
Материал α, 1/Ê β, 1/Ê
–3
Pt 3,908 · 10
Ni 5,485 · 10
Ir 4,041 · 10
Cu
В среднем α = 4,330 · 10
–3
–3
–0,580 · 10
6,650 · 10
0,364 · 10
2
–6
–6
–6
0,470 · 10
–3
в диапазоне –50 ¸ 150 °C
γ, 1/Ê
0
0
3
–9
Диапазон
–200 ¸ 500 °C
–60 ¸ 150 °C
нет данных
Измерительная схема. Рассмотрим пример измерения сопротивления при помощи простого делителя напряжения (рис. 1.5).
Пусть напряжение U0 = 10 В, сопротивление R0 = 100 Ом, а в качестве испытуемого
сопротивления Rx – датчик Pt 100. Напряжение
R
x
Ðèñ. 1.5
U
= U0
r
При температуре 0 °С U
Rx + R0
. (1.6)
= 5 Â. Ïðè èçìå-
T
нении температуры на 0,1 изменение сопротивления ΔR = R0 · α · ΔT,
ΔR = 4 · 10–2 Ом, а напряжение UT = 5,001 В, что соответствует
0,02 %. Таким образом, сигнал с датчика очень мал (ΔR/R << 1)
и его выделение на фоне помех и шумов достаточно затруднительно. Для решения этой проблемы обычно используются схемы
дифференциальных мостов. Простой дифференциальный мост
приведен на рис. 1.6.
Условие баланса моста можно записать в следующем виде:
– комплексный импеданс соответству-
ãäå Z
I
ющего элемента.
При выполнении условия (1.7) U
мост сбалансирован. При нарушении балан-
Ðèñ. 1.6
10
са путем изменения одного из сопротивле-
Z
Z
1
3
= , (1.7)
Z2
Z4
âûõ
= 0
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]