Михайлов_Автоматика и автоматизация измерений

При пропускании в направлении У, носители заряда (электроны и дырки) отклоняются в поле поляризованного кристалла, что приводит к увеличению длины пробега носителей заряда. С физ-ой точки зрения это равносильно увеличению сопротивления.

Использующиеся материалы это сегнетоэлектрики и антисегнетоэлектрики.

Использование таких чувствительных элементов применяется при измерении величин магнитных полей, перемещений, частоты оборотов. При этом кристалл взаимодействует с полем дополнительного магнита.

14.Терморезистивные преобразователи (ТП). Материалы.

Используются 2 вида ТП:

1. металлический – зависимость R от T (температура) линейная

RT = Ro(1+αT* Т)

R

Ro

T

2. полупроводниковые

Обратная зависимость R от T. Это связано с зонной структурой полупроводника.

R

Ro

T

Наиболее часто используемые, это элементы из платины и меди. Полупроводники имеют более узкий диапазон, но высокую чувствительность.

15. Датчик Холла (магнитострикционные преобразователи)

Магнитострикция - изменение размеров и формы кристаллического тела при намагничивании - вызывается изменением энергетического состояния кристаллической решетки в магнитном поле, и, как следствие, расстояний между узлами решетки. Наибольших значений магнитострикция достигает в ферро- и ферритомагнетиках, в которых магнитное взаимодействие частиц особенно велико.

Магнитострикция представляет собой деформирование тел при изменении ихмагнитного состояния. Данное явление, открытое в 1842 г. Джоулем, свойственно ферромагнитным металлам и сплавам (ферромагнетикам) и ферритам. Ферромагнетики обладают положительным межэлектронным обменным взаимодействием, приводящим к параллельной ориентации моментов атомных носителей магнетизма. Наличие постоянных магнитных моментов электронных оболочек характерно для кристаллов, состоящих из атомов, обладающих внутренними электронными оболочками. Способность вещества к намагничению характеризуется магнитной восприимчивостью, которая представляет собой отношение намагниченности к напряженности внешнего магнитного поля. Напряженность магнитного поля характеризуется силой, заключенной в единичной магнитной массе и действующей на северный магнитный полюс.

Другой характеристикой магнитного поля является индукция магнитного поля. Магнитная энергия кристаллической решетки является функцией расстояния между атомами или ионами; следовательно, изменение магнитного состояния тела ведет к его деформированию, т. е. возникает явление магнитострикции. Магнитострикционная деформация сложным образом зависит от индукции и напряженности магнитного поля. В простейших случаях деформация пропорциональна квадрату намагниченности. Взаимосвязь между параметрами и геометрическими размерами преобразователя выводится на основе рассмотрения его конкретной формы. Если магнитоупругий стержень расположить вдоль переменного магнитного поля, то этот стержень станет попеременно сокращаться и удлиняться, т.е. испытывать механические колебания с частотой переменного магнитного поля и амплитудой, пропорциональной его индукции. Вибрации преобразователя возбуждают в твердой или жидкой среде, с которой он соприкасается, волны ультразвука той же частоты. Обычно такие преобразователи работают на собственной частоте механических колебаний, так как на ней наиболее эффективно преобразование энергии из одной формы в другую. Магнитострикционные преобразователи из тонкого листового

металла работают лучше всего в низкочастотном ультразвуковом диапазоне (от 20 до 50 кГц), на частотах выше 100 кГц у них очень низкий КПД.

На практике используют два типа магнитострикционных преобразователей: стержневые и кольцевые, изготовленные из магнитных сплавов или ферритов. Металлические сплавы используют для изготовления мощных магнитострикционных преобразователей, поскольку они имеют высокие прочностные характеристики. Однако большая электропроводность сплавов обусловливает кроме потерь на перемагничение значительные потери на макровихревые токи, или токи Фуко. Поэтому преобразователи выполняют в виде пакета пластин толщиной 0,1-0,2 мм. Значительные потери определяют сравнительно низкий к. п. д. таких преобразователей (40-50%) и необходимость их водяного охлаждения. Ферритовые преобразователи обладают более высоким к. п. д. (70%), так как при большом электросопротивлении не имеют потерь на токи Фуко, но их мощностные характеристики весьма ограничены из-за низкой механической прочности. При воздействии на обмотку, в которую помещен сердечник-стриктор, переменным электрическим током в последнем вследствие электромагнитной индукции возникают колебательные процессы соответствующие частоте генератора электрического сигнала. Достоинством таких генераторов является относительно низкое рабочее напряжение, что позволяет значительно упростить при изготовлении инструментов конструктивные параметры изоляции электрической части рабочего инструмента от приводного механизма и сделать их разборными для быстрой смены привода стоматологического наконечника.

Недостатком же магнитострикционного преобразователя является условие обязательного постоянного охлаждения водой работающего преобразователя.

16. Термоанемометры, болометры, термисторы.

Термоанемометры. Принцип действия основан на изменении R металлич. проводника при изменении давления окр. среды. Если мет. проводник поместить в трубопровод, по кот. будет двигаться какая-то среда, а по проводнику пропустить эл. ток, кот. нагревает этот проводник, то в зав-сти от скорости потока проводник будет охлаждаться более или менее интнсивно.

I E

Rпр Rрег

Рис.

Болометры – резистивный элемент способный работать как абсолютно черное тело (поглощать излучение), при этом изменяется темп-ра этого эл-та и его R.

По вел-не измен-ния R судят о темп-ре тела излучающего энергию поглощенную болонами.

Используется для дистанционного опред-ния темп-р во всем спектральном диапазоне (от УФ до ИК). Приборы для опред-ния Т тел свыше 1000 С0 , наз. пирометры полного излучения.

Устроен: полупроводниковый шарик покрытый снаружи платиновой чернью обладает способностью поглощать излучение практически во всем спектральном диапазоне.

Рис.

Термисторы. Полупроводниковое сопротивление обладающее особой вольт-амперной хар-кой:

Рис.

Наличие такой хар-ки связано с тем, что при пропускании тока через элем-т возрастает темп-ра эл-та, R понижается. Дальнейший ход хар-ки: спад объясняется наличием точки Кюри. Такие элем-ты использ-тся в цепях регулир-ния тока при изменении Т окр. среды. Использ. Fe3O4, Mn2O3, TiO2—имеют различные т. Кюри.

17. Резистивный преобразователь контактного сопротивления. Газочувствительные резистивные элементы.

Рис.

Между контактн. площадками расположены зерна углеродистого материала или зерна полупроводника. При воздействии давления Р (даже очень малого, соизмер-ого с Р созданным звуковыми волнами) положение зерен меняется, меняется S эл-кого контакта между ними, следовательно изменяется объемное R образца. Материал обладает очень высокой чувствительностью:

SR P

Современные резистивные преобраз-ли контактного R выполненный из полупроводников обладают зернистой стр-рой, при этом повышенная чувствительность позволяет использ. очень маленькие источники питания.

Недостатки: наличие спонтанных шумовых сигналов

U сигн -- низкая (связано с высокой интенсивн. зерен, при малых

U шум

измен-ях темп-ры)

Соврем. преобразователи использ. как наборы п/проводниковых пластин зернистого п/проводника, общее изменение сопротивления.

Использ. для измерения малых механич. Р. Рис.

Газочувствительные резистивные элементы.

Ряд оксидов Ме (PbO, ZnO, SnO2 и т.д.) обладают способностью находиться в нестехиометрич. состоянии. Это означает, что формула оксида SnOx, где х=1,95 – полупроводниковое состояние (нестехиометрич-ое).

При взаимодействии пов-сть такого оксида с мол-лами окр. среды (либо кислородо-, либо водородосод-щих) происходят ОВР.

При взаимодействии с О2 пов-сть (частично оборван. кислородные связи) происходит доокисление части проводника с образ-ем полного оксида, при этом изменяется сопротивление образца. Степень измен-я R пропорциональна измен-ю конц-ции О2 (в известных пределах).

Это явление обладает обратимым эффектом. При уменьш. кол-ва О2 оксид возвращ. в нестехиометрич. состояние – квазистабильное.

Осущ-тся поддержание этого состояния нагревом п/проводника до t= 300-400 0С.

При наличии в атмосфере мол-л Н2 происх-т восстановление проводимости оксида до Ме. Такие элем-ты исполь-тся в приборах газового анализа, где требуется опред-ние конц-ции водородокислородо содержащих элем-тов.

18.Фотопреобразователи.

Фоторезистивные преобразователи.

Вфизике тв. тела известны явления в материалах обладающих большой работой выхода, незначит. освящения световым потоком в УФ, ИК областях спектра, приводит к выбиванию электронов, кол-во кот. зав-т от вел-ны светового потока Ф, следовательно измен-тся сопротивление образца в целом.

При этом измеряется сопротивление образца в целом.

Преобразователи с зав-стью Rx=f(Ф) наз. фоторезистивными. Такими св-вами обл. некот. оксиды, фосфиды, селениды. Статич. хар-ка:

Рис.

Такие преобр-ли изготовлены в виде диэлектрич. подложек, на кот. нанесена паста – рис.

- прозрачн. стекловидная масса – SiO2.

Элем-ты (ФС) исп-тся для регистрации интенсивности светов. потоков, подсчета числа изделий.

Кроме фоторезист. проебр-лей эти в-ва использ. для регистрации сверхслабых световых потоков в фотоэлементах (ФЭ).

В-во помещают на внутр. стенку вакуумн. стекл. болона, на повсть кот. падает световой поток Ф, он выбивает электроны, кот. попадают на анод, при чем образ-тся электрич. цепь, образ-тся электр. ток, вел-на кот. м.б. измерена: как фотоЭДС или как протекающий ток.

Uн= Rн*iф

Рис.