Структура учебного курса

Модуль 1«Введение в дисциплину. Особенности датчиковой аппаратуры».

Руководство по обучению

УЭ 1 «Введение в дисциплину. Характеристики датчиков. Принципы выбора датчиков»

Учебные цели УЭ–1

Студент должен:

• иметь представление:

– о специфике организации измерений датчиками физических величин;

– об основных свойствах измеряемых величин;

– о «реальной» и «номинальной» функциях преобразования датчика;

– о динамике развития датчиков по различным отраслям промышленности, измеряемым параметрам, потреблению различными странами

– о тенденциях миниатюризации чувствительных элементов измерительных преобразователей;

– об особенностях воздействия внешних и внутренних дестабилизирующих факторов на работоспособность датчиков;

– о направлениях и перспективах развития датчиков и компонентов контрольно-диагностических средств;

– об информационно-энергетической теории измерительных устройств;

– о систематических и случайных погрешностях и методах их обработки;

– об испытательной базе Научно-производственного объединения измерительной техники и Научно-исследовательского института физических измерений, как основных центрах метрологических испытаний датчиков;

– об автоматизированной системе метрологических испытаний датчиков.

• знать:

– обобщенную структурную схему любого гипотетического датчика;

– предпосылки развития датчиковой аппаратуры;

– назначение и область применения датчиков;

– основные требования к датчикам;

– уравнения датчиков;

– задачи конструктора при проектировании датчиков;

– понятия порога чувствительности, предела преобразования, гистерезиса;

– основные виды систематических погрешностей применительно к датчикам физических величин;

– понятия механической и метрологической надежности датчиков;

– эксплуатационные характеристики датчиков;

– последовательность логических шагов в реализации принципа максимального соответствия датчика требованиям измерений и возможностей (характеристик) датчика.

• владеть:

– системой нормативных документов, регламентирующих деятельность в области метрологии, применительно к датчикам физических величин.

• уметь:

– проводить выбор датчика из существующих, применительно к конкретной диагностической системе.

Для успешного овладения материалом УЭ–1 следует изучить пп. 1.1–1.4. учебного текста УМК (Понятие «датчик». Классификация датчиков. Характеристики датчиков. Метрологическое обеспечение датчиков. Принципы выбора датчиков) и материал вводной части из учебного пособия (Бейлина Р.А., Грозберг Ю.Г., Довгяло Д.А. Микроэлектронные датчики: Учеб. пособие для вузов.– Новополоцк: ПГУ, 2001.– 308 в дальнейшем – пособие) (Понятие и классификация датчиков. Основные требования к датчикам. Надежность и вопросы миниатюризации. Общие свойства датчиков).

УЭ–К Выходной контроль по модулю.

После изучения данного модуля Вам необходимо проверить свои знания, ответив на вопросы или выполнив задания:

1.  для чего необходимо иметь априорные знания об измеряемых величинах при проектировании датчиков?

2.  приведите структуру любого гипотетического датчика и примеры конктретных реализаций;

3.  что такое «реальная» и «номинальная» функции преобразования датчика?

4.  приведите уравнения датчиков с сосредоточенными параметрами первого порядка апериодического типа;

5.  приведите уравнения датчиков с сосредоточенными параметрами второго порядка апериодического и колебательного типов;

6.  приведите уравнения датчиков с распределенными параметрами и их примеры для конкретных датчиков физических величин;

7.  приведите общую классификацию датчиков физических величин;

8.  дайте определение понятия «датчик»;

9.  к чему ведет стремление получить больше информации от датчика (повысить его точность выше целесообразных пределов)? Объясните свою точку зрения;

10.  тенденции, определяющие развитие электронных измерительных преобразователей для датчиков;

11.  в чем предпосылки развития датчиков физических величин?

12.  объясните понятия «модульное конструирование по правилам агрегатирования», «принципы системного подхода» применительно к проектированию датчиков физических величин;

13.  проведите обзор производителей датчиковой аппаратуры и прогноз динамики развития датчиков для отраслей промышленности;

14.  охарактеризуйте назначение и область применения датчиков;

15.  задачи, проблемы и направления миниатюризации датчиков;

16.  требования к датчикам физических величин, определяемые условиями их применения;

17.  основные задачи конструкторов миниатюрных датчиков;

18.  виды динамических характеристик датчиков;

19.  классифицируйте характеристики датчиков, дайте их определения;

20.  приведите нормальные условия эксплуатации датчиков;

21.  почему верхнее значение измеряемого диапазона должно быть меньше предела преобразования датчика?

22.  охарактеризуйте случайные и систематические погрешности;

23.  почему надежность датчика следует рассматривать в двух аспектах?

24.  приведите эксплуатационные характеристики датчиков;

25.  что включает в себя метрологическое обеспечение датчиков?

26.  приведите последовательность логических шагов для реализации принципа максимального соответствия требований измерений и возможностей (характеристик) датчика при его выборе из числа существующих.

Модуль 3«Волоконно-оптические датчики»

Руководство по обучению

УЭ 1 «Взаимодействие оптического излучения с оптическими средами».

Учебные цели УЭ–1

Студент должен:

• иметь представление:

– о методах соединения световода с приемниками оптического излучения;

– о числовой апертуре волокна;

– об оптических свойствах материалов, используемых для изготовления оптических элементов.

• знать:

– требования, предъявляемые к приемникам волоконно-оптических систем передачи;

– виды поглощения излучения полупроводниковых веществ;

– требования, предъявляемые к материалам, используемым для изготовления оптических элементов фотоприемников.

Для успешного овладения материалом УЭ–1 следует изучить п. 3.1 учебного текста УМК (Взаимодействие оптического излучения с оптическими средами).

УЭ 2 «Принципы преобразования в ВОД физических величин»

Учебные цели УЭ–2

Студент должен:

• иметь представление:

– о низкочастотных дрейфах сигналов в ВОД;

– о применении амплитудных ВОД в датчиках физических величин: волоконных акселерометрах, виброметрах, датчиках температуры (в т.ч. флуоресцентных), коэффициента преломления жидкости, уровня жидкости, деформаций, давления, скорости потока жидкости;

– о физических эффектах, приводящих к модуляции поляризации света и их использовании в ВОД;

– о двулучепреломлении;

– об оптическом мультиплексировании ВОД физических величин.

• знать:

– структуру преобразований в ВОД;

– особенности работы амплитудных ВОД проходного и отражательного типов;

– особенности влияния дестабилизирующих воздействий на свойства амплитудных ВОД;

– особенности микрорезонаторов;

– схему преобразований энергии автогенератора ВОЛ–МРС при фототермическом механизме возбуждения МРС;

– схемы построения автогенераторных микрорезонаторных ВОД физических величин;

– особенности применения волоконно-оптических лазеров в микрорезонаторных ВОД автогенераторного типа;

– устройство, принцип действия и особенности проектирования микрорезонаторных ВОД давления, температуры, ускорения, измерения концентрации газов;

– метод когерентной частотной рефлектометрии.

Для успешного овладения материалом УЭ–2 следует изучить пп. 3.2–3.7 учебного текста УМК (Принципы преобразования в ВОД физических величин. Амплитудные ВОД (ВОД с модуляцией интенсивности). ВОД поляризационного типа. ВОД на основе микромеханических резонаторов, возбуждаемых светом. Характеристики микрорезонаторных ВОД физических величин. Оптическое мультиплексирование ВОД физических величин).

УЭ 3 «Волоконно-оптические гироскопы»

Учебные цели УЭ–3

Студент должен:

• иметь представление:

– об эффекте Саньяка;

– о видности интерференции световых волн;

– об эргодичности.

• знать:

– характеристики различных типов оптических гироскопов на основе эффекта Саньяка;

– принципиальную схему ВОГ;

– особенности применения фазового модулятора в принципиальной схеме ВОГ;

– влияние случайных процессов на работу ВОГ;

– схему с гармонической модуляцией и синхронным детектированием для обработки сигнала ВОГ;

– источники излучения применяемые в ВОГ;

– схемы ВОГ с эрбиевыми источниками излучения;

– особенности поляризационной подставки ВОГ и методы борьбы с ней.

• владеть:

– методами оценки мощности источника света в зависимости от длины волокна в контуре, при котором основной вклад в шумы будет давать источник излучения.

Для успешного овладения материалом УЭ–3 следует изучить п. 3.8 учебного текста УМК (Волоконно-оптические гироскопы).

УЭ 4 «Оптические элементы, используемые в ВОД»

Учебные цели УЭ–4

Студент должен:

• иметь представление:

– о ходе лучей в волоконно-оптических световодах;

– о материалах для изготовления оптических фильтров.

• знать:

– требования, предъявляемые к входным окнам фотоприемников;

– назначение и устройство различных типов световодов;

– методы определения числовой апертуры различных типов световодов;

– назначение, классификацию и свойства оптических фильтров;

– назначение, устройство и конструкции иммерсионных линз.

Для успешного овладения материалом УЭ–4 следует изучить п. 3.9 учебного текста УМК (Оптические элементы, используемые в ВОД).

УЭ–К Выходной контроль по модулю.

После изучения данного модуля Вам необходимо проверить свои знания, ответив на вопросы или выполнив задания:

1.  какие существуют методы соединения световода с приемниками оптического излучения?

2.  для чего вводится понятие «числовая апертура волокна», как она определяется?

3.  какие применяются меры увеличения эффективности ввода излучения в приемник оптического излучения?

4.  требования к приемникам волоконно-оптических систем передачи;

5.  виды и особенности приемников светового излучения;

6.  поясните требования, предъявляемые к материалам, используемым для изготовления оптических элементов фотоприемников;

7.  приведите границы пропускания излучения следующих материалов: оптических стекол, кронов, флинтов, германатных, теллуритовых, кварцевых, стекол;

8.  приведите марки легкоплавких, тугоплавких и кварцевых стекол, используемых в приемниках оптического излучения, работающих в коротковолновой части спектра;

9.  приведите марки материалов, используемых в приемниках оптического излучения для работы в средневолновой и длинноволновой областях спектра;

10.  особенности применения полупроводниковых материалов для изготовления элементов волоконной оптики;

11.  особенности применения пластмасс для изготовления оптических элементов;

12.  как определить коэффициенты отражения «бесконечно толстой» пластины полупроводника и пластины полупроводника конечной толщины;

13.  что такое угол Брюстера и как он определяется?

14.  приведите закон Бугера для потока излучения в полупроводниках;

15.  поясните особенности собственного поглощения полупроводников;

16.  почему все фотоприемники на основе внутреннего фотоэффекта обладают селективной (по длине волны) чувствительностью?

17.  поясните особенности примесного поглощения полупроводников;

18.  объясните принцип действия обобщенного ВОД;

19.  приведите структуру преобразований в ВОД;

20.  какие существуют разновидности ВОД с амплитудной модуляцией;

21.  для чего в волоконную линию вводят нерегулярности?

22.  приведите особенности интерференционных ВОД;

23.  поясните принципы, лежащие в основе ВОД фазовой модуляции;

24.  особенности поляризационных и частотных ВОД;

25.  почему фазовые ВОД имеют низкую устойчивость к дестабилизирующим воздействиям?

26.  цифровые методы передачи информации в ВОД: достоинства и недостатки;

27.  приведите схему включения и принцип действия амплитудного ВОД, в котором отсутствуют низкочастотные дрейфы сигналов;

28.  приведите схему чувствительного элемента ВОД отражательного типа;

29.  объясните особенности работы ВОД отражательного типа;

30.  приведите примеры датчиков физических величин, в основе работы которых лежат ВОД проходного и отражательного типов;

31.  объясните принцип действия ВОД проходного типа;

32.  волоконный акселерометр: устройство, особенности, принцип действия;

33.  особенности реализации датчиков физических величин на основе амплитудных ВОД;

34.  поясните влияние дестабилизирующих воздействий на свойства амплитудных ВОД;

35.  поясните физические эффекты, приводящие к модуляции поляризации света;

36.  что такое двулучепреломление?

37.  приведите схему волоконно-оптического вольтметра, в котором используется поперечный эффект Поккельса;

38.  что такое микрорезонатор? Как в нем под действием внешних воздействий возникают механические колебания?

39.  приведите двухканальную схему ВОД на основе микрорезонатора, объясните принцип действия;

40.  объясните устройство схемы преобразований энергии автогенератора ВОЛ–МРС при фототермическом механизме возбуждения МРС;

41.  условия возникновения автомодуляции системы ВОЛ–МРС с оптической связью через ИФП;

42.  условия возникновения автомодуляции системы ВОЛ–МРС с оптической связью через коллиматор;

43.  объясните преимущества, обеспечиваемые применением волоконно-оптических лазеров в микрорезонаторных ВОД автогенераторного типа;

44.  микрорезонаторный ВОД давления: устройство, принцип действия, особенности проектирования;

45.  микрорезонаторный ВОД температуры: устройство, принцип действия, особенности проектирования;

46.  микрорезонаторный ВОД ускорения: устройство, принцип действия, особенности проектирования;

47.  микрорезонаторный ВОД измерения концентрации газов: устройство, принцип действия, особенности проектирования;

48.  как определить коэффициент преобразования микрорезонаторных ВОД давления, температуры и ускорения?

49.  сущность оптического мультиплексирования ВОД физических величин;

50.  особенности и преимущества метода когерентной частотной рефлектометрии при оптическом мультиплексировании ВОД физических величин;

51.  сущность метода когерентной частотной рефлектометрии;

52.  какое количество мультиплексируемых ВОД достигается при применении метода когерентной частотной рефлектометрии?

53.  преимущества ВОГ по сравнению с традиционными гироскопами;

54.  сущность эффекта Саньяка;

55.  выведите выражение, определяющее разность фаз Саньяка встречных электромагнитных волн, распространяющихся в кольцевом контуре;

56.  охарактеризуйте типы оптических гироскопов на основе эффекта Саньяка;

57.  приведите принципиальную схему ВОГ;

58.  приведите выражения, определяющие интенсивность результирующей световой волны, прошедшей через светоделительную пластинку в гироскопе, и видность интерференции световых волн;

59.  приведите зависимости интенсивности света на входе в фотоприемник для различных значений коэффициентов деления разделительной пластины, определите видность интерференции, оцените чувствительность ВОГ для этих случаев;

60.  для чего в принципиальную схему ВОГ вводят фазовый модулятор? Приведите выражения, определяющие величину дополнительного сдвига фаз и интенсивности излучения для этого случая;

61.  из каких условий выбирается частота модуляции ВОГ? Приведите соответствующее выражение;

62.  поясните влияние случайных процессов на работу источника, контура и приемника ВОГ;

63.  что такое эргодичность?

64.  приведите схему с гармонической модуляцией и синхронным детектированием для обработки сигнала ВОГ, поясните ее принцип действия;

65.  как определить минимально обнаружимую частоту вращения ВОГ при заданном отношении сигнала к шуму?

66.  какие источники излучения применяются в ВОГ?

67.  перспективы развития ВОГ;

68.  из каких соображений выбирается рабочая длина волны ВОГ с эрбиевым источником? Аргументируйте свой ответ;

69.  достоинства эрбиевых суперфлуоресцентных волоконных источников;

70.  приведите схемы ВОГ с эрбиевыми источниками излучения, объясните их устройство и принцип действия;

71.  методы борьбы с поляризационной подставкой ВОГ;

72.  особенности поляризационной подставки ВОГ, методы ее определения;

73.  основные требования, предъявляемые к входным окнам фотоприемников;

74.  назначение и устройство световодов;

75.  изобразите ход лучей в различных волоконно-оптических световодах;

76.  какие существуют способы преобразования информации, передаваемой по световодам?

77.  как определить числовую апертуру различных типов световодов?

78.  что такое афокон?

79.  поясните назначение и классификацию оптических фильтров;

80.  свойства селективно-поглощающих, отражающих, преломляющих, рассеивающих и интерференционных фильтров;

81.  материалы оптических фильтров;

82.  приведите схему и особенности интерференционного фильтра;

83.  что такое просветление оптических элементов, как оно реализуется на практике, приведите основные соотношения;

84.  назначение, устройство и конструкции иммерсионных линз;

85.  концентрическая (сферическая) иммерсионная линза: особенности применения;

86.  гиперполусферическая (аплантическая) иммерсионная линза: особенности применения;

87.  почему не происходит повышения обнаружительной способности за счет применения иммерсионной оптики?

88.  как определить коэффициент полезного действия иммерсионной линзы?

Модуль 4«Датчики давления»

Руководство по обучению

УЭ 1 «Задачи измерения давления»

Учебные цели УЭ–1

Студент должен:

• иметь представление:

– о переводе наиболее распространенных единиц измерения давления;

– о соотношениях между единицами измерения давления;

– о статических, медленноменяющихся и быстропеременных давлениях;

– о характерных погрешностях, возникающих при измерении импульсных давлений;

– о значениях поправочного коэффициента для систем с газовым заполнением;

– о переходном процессе, в системе датчик – трубопровод.

• знать:

– этапы преобразований в датчике давления, вносимом в измеряемую среду;

– особенности и перспективы развития современных датчиков давления;

– классификацию и устройство упругих чувствительных элементов современных датчиков давления;

– влияющие факторы, действующие на датчик давления;

– кинематическую схему датчика давления с силовым возбуждением.

• владеть:

– методами оценки частоты собственных колебаний системы датчик-трубопровод при различных видах заполнения системы.

• уметь использовать:

– особенности эксплуатации и монтажа датчиков давления.

Для успешного овладения материалом УЭ–1 следует изучить пп. 2.1 и 2.2 учебного пособия (Датчики давления на современном этапе. Основные типы чувствительных элементов датчиков), и главу 4 учебного текста УМК (Особенности проектирования датчиков давления).

УЭ 2 «Тензометрические полупроводниковые чувствительные элементы»

Учебные цели УЭ–2

Студент должен:

• иметь представление:

– об особенностях диффузионной, автоэпитаксиальной и гетероэпитаксиальной технологий, используемых при изготовлении тензорезисторов;

– об особенностях проектирования миниатюрных тензорезистивных датчиков механических и физических величин;

– о коэффициентах тензочувствительности современных материалов для изготовления тензорезисторов;

– об особенностях тензорезистивных структур «кремний на сапфире» и на основе полупроводников А^IIIB^V;

– об областях применения интегральных тензопреобразователей давления.

• знать:

– требования, предъявляемые к материалам для производства тензорезисторов;

– принцип действия полупроводниковых тензорезисторов;

– типы тензорезистивных структур, изготавливаемых методами интегральной технологии;

– особенности проектирования тензорезистивных датчиков давления;

– особенностями схем включения полупроводниковых тензорезисторов;

– методы балансировки, градуировки и компенсации температурной погрешности интегральных тензопреобразователей;

– технологию изготовления интегральных тензопреобразователей.

• владеть:

– методами расчета температурного компенсирующего устройства интегрального тензопреобразователя;

– методами проектирования и расчета основных элементов конструкции полупроводникового интегрального тензопреобразователя давления.

• уметь использовать:

– для проектирования датчиков давления или усилия знания о примерном маршруте изготовления чувствительного элемента с микропрофилированной мембраной по планарно-диффузионной технологии.

Для успешного овладения материалом УЭ–2 следует изучить пп. 2.3–2.12 учебного пособия (Тензометрические полупроводниковые чувствительные элементы. Схемы включения тензорезисторов. Тензорезистивные преобразователи. Кремниевые датчики. Характеристики и параметры мостовых тензорезисторных преобразователей давления. Балансировка мостовой схемы тензопреобразователей. Градуировка. Компенсация температурной погрешности. Технология изготовления интегральных тензопреобразователей. Некоторые применения датчиков давления. Интегральные преобразователи давления с профилированной мембраной. Интегральные преобразователи давления на основе гетероэпитаксиальных структур. Интегральные кремниевые тензопреобразователи. Преобразователь давления с подстроечными резисторами на кристалле. Датчики аэрогазодинамических давлений. Примерный маршрут изготовления чувствительного элемента с микропрофилированной мембраной).

УЭ–К Выходной контроль по модулю.

После изучения данного модуля Вам необходимо проверить свои знания, ответив на вопросы или выполнив задания:

1.  поясните понятие «давление»;

2.  что такое барометрическое, абсолютное, избыточное давление?

3.  приведите зависимость барометрического давления в разных слоях атмосферы в зависимости от высоты над уровнем моря;

4.  осуществите перевод наиболее распространенных единиц измерения давления;

5.  приведите соотношения, связывающие единицы измерения давления;

6.  какие существуют группы задач измерения давления?

7.  дайте определения статических, медленноменяющихся и быстропеременных давлений;

8.  почему наиболее жесткие метрологические требования предъявляются к датчикам и системам, измеряющим статические и медленноменяющиеся давления?

9.  приведите иллюстрации, поясняющие характер изменения давления во времени;

10.  требования к датчикам, предназначенным для измерения быстроменяющихся и пульсирующих давлений;

11.  классифицируйте датчики давления по методам электрического преобразования;

12.  какими факторами определяются нижняя и верхняя границы работы полупроводниковых чувствительных элементов (ПЧЭ) датчиков давления?

13.  в чем проявляется нестабильность тензопреобразователей с интегральными ПЧЭ?

14.  поясните особенности структур «кремний на сапфире»;

15.  методы компенсации погрешностей тензопреобразователей с интегральными кремниевыми ПЧЭ;

16.  приведите примеры разработок и особенности тонко- и толстопленочных измерительных преобразователей давления;

17.  приведите примеры разработок и особенности измерительных преобразователей давления, основанных на теории пьезоэффекта;

18.  поясните критерии выбора пьезоматериалов и конструкций чувствительных элементов пьезоэлектрических датчиков давления;

19.  в чем особенности пьезорезонансных датчиков давления?

20.  достоинства и принцип действия волоконно-оптических систем измерения давления;

21.  достоинства, недостатки и перспективы развития емкостных датчиков давления. Примеры реализаций;

22.  приведите особенности датчиков давления с микропроцессорной обработкой информации, как перспективного направления развития датчиковых систем;

23.  приведите этапы преобразований в датчике давления, вносимом в измеряемую среду;

24.  проанализируйте характерные погрешности, возникающие при измерении импульсных давлений;

25.  осуществите классификацию и приведите устройство упругих чувствительных элементов современных датчиков давления;

26.  диапазоны работы упругих чувствительных элементов датчиков давления;

27.  классифицируйте влияющие факторы, действующие на датчик давления;

28.  как проявляется воздействие вибрационных ускорений на датчики давления?

29.  как проявляется воздействие ударных ускорений на датчики давления?

30.  особенности воздействия статического давления на датчики пульсирующих и импульсных давлений;

31.  как влияет частота собственных колебаний присоединенных объемов жидкости на работу мембранных «ввертных» датчиков давления?

32.  приведите кинематическую схему и ее описание датчика давления с силовым возбуждением;

33.  приведите оценку частоты собственных колебаний системы датчик-трубопровод для различных видов заполнения системы;

34.  как определяются поправочные коэффициенты, учитывающие влияние параметров датчика, трубопровода, заполняющей среды на частоту собственных колебаний системы датчик-трубопровод?

35.  что такое смешанное заполнение системы датчик-трубопровод?

36.  как определить динамические характеристики датчиков давления, используемых без соединительных трубопроводов и предмембранных полостей?

37.  проиллюстрируйте варианты реализации переходного процесса, измеряемого с помощью системы датчик-трубопровод;

38.  поясните особенности эксплуатации и монтажа датчиков давления;

39.  приведите требования, предъявляемые к материалам для изготовления тензорезисторов;

40.  как определить чувствительность, коэффициент тензочувствительности, уход нуля полупроводниковых тензорезисторов при изменении температуры?

41.  поясните принцип действия полупроводникового тензорезистора;

42.  особенности диффузионной, автоэпитаксиальной и гетероэпитаксиальной технологий для изготовления тензорезисторов;

43.  особенности тензодатчиков из кварца;

44.  что такое ползучесть тензорезисторов?

45.  приведите основные схемы включения полупроводниковых тензорезисторов и их особенности;

46.  приведите дифференциальные схемы включения полупроводниковых тензорезисторов для постоянного и переменного токов, объясните особенности их работы;

47.  в чем особенности проектирования миниатюрных тензорезистивных датчиков механических и физических величин;

48.  схема включения тензорезисторов с дифференциальным резонансным трансформатором: особенности, преимущества, расчетные соотношения;

49.  схема включения тензорезисторов в датчике давления с элементами установки и термостабилизации нуля (нелинейность, чувствительность, гистерезис);

50.  преимущества и недостатки полупроводниковых тензорезисторов (монокристаллических, интегральных);

51.  приведите типы тензорезистивных структур, изготавливаемых из кремния методами интегральной технологии, объясните их особенности, преимущества, недостатки, направления дальнейшего развития;

52.  особенности тензорезистивных структур «кремний на сапфире» (КНС);

53.  применение полупроводников АIIIBV для создания тензорезистивных структур;

54.  тензорезистивные датчики давления: применение, преимущества, недостатки, температурные характеристики;

55.  параметры преобразовательной характеристики тензорезистивных датчиков давления;

56.  из-за чего возникает нелинейность преобразовательной характеристики тензорезистивных датчиков давления?

57.  настройка каких параметров производится при изготовлении тензорезистивных датчиков давления?

58.  поясните методы балансировки и градуировки интегральных тензопреобразователей;

59.  методы компенсации температурного коэффициента смещения нуля и температурного коэффициента чувствительности;

60.  приведите схемы температурной компенсации кремниевого датчика давления;

61.  приведите основные схемы температурной компенсации коэффициента чувствительности мостовой схемы включения тензорезисторов;

62.  поясните следующие этапы технологии изготовления интегральных тензопреобразователей: подготовка исходных пластин, окисление пластин;

63. поясните следующие этапы технологии изготовления интегральных тензопреобразователей: двухстороннее совмещение (совмещение в инфракрасном свете, двухсторонняя фотолитография, совмещение по сквозным отверстиям), изготовление интегральной тензосхемы;

64. поясните следующие этапы технологии изготовления интегральных тензопреобразователей: микропрофилирование пластин (изотропное травление, травление поликристаллического кремния, электроискровой способ микропрофилирования, микропрофилирование сапфира, анизотропное травление кремния), разделение пластин на кристаллы.

65.  как на работу интегральных тензопреобразователей влияют микронеровности на поверхности упругого элемента?

66.  приведите конструкцию интегрального балочного акселерометра;

67.  приведите конструкцию и объясните принцип действия интегрального кремниевого емкостного преобразователя давления;

68.  особенности и недостатки изотропного травления при микропрофилировании пластин;

69.  приведите примеры материалов - травителей поликремния;

70.  преимущества и недостатки травления поликристаллического кремния (по сравнению с изотропным травлением);

71.  преимущества и недостатки электроискрового способа микропрофилирования;

72.  почему при анизотропном травлении кремния скорость травления в разных кристаллографических направлениях имеет различные значения?

73.  какими факторами определяется форма микропрофиля при анизотропном травлении кремниевых пластин?

74.  приведите классификацию методов, используемых для разделения пластин на кристаллы;

75.  проиллюстрируйте этапы изготовления интегрального тензопреобразователя;

76.  приведите конструкцию интегрального тензопреобразователя давления с профилированной мембраной, объясните принцип действия;

77.  приведите конструкцию и основные технические характеристики преобразователя давления, реализованного по структуре КНС;

78.  приведите практические схемы реализации топологии интегральных преобразователей с тензорезисторами р-типа в плоскостях (011) и (111);

79.  приведите конструкцию, принцип действия и основные характеристики преобразователя давления с подстроечными резисторами на кристалле;

80.  датчик аэрогазодинамических давлений: требования к условиям применения;

81.  датчик аэрогазодинамических давлений: требования к электрическим параметрам;

82.  датчик аэрогазодинамических давлений: требования к надежности;

83.  датчик аэрогазодинамических давлений: устройство и принцип работы, функциональная схема;

84.  приведите примерный маршрут изготовления чувствительного элемента с мембраной датчика давления.

Модуль 5 «Компоненты и датчики, управляемые магнитным полем»

Руководство по обучению

УЭ 1 «Магнитоупругие преобразователи. Гальваномагниторекомбинационные преобразователи. Датчики Виганда».

Учебные цели УЭ–1

Студент должен:

• иметь представление:

– о магнитоупругом эффекте;

– о магнитоупругом датчике измерения силы;

– о параметрах промышленных гальваномагниторекомбинационных преобразователей.

• знать:

– формулы преобразований магнитоупругих преобразователей;

– схемы включения магнитоупругих преобразователей;

– методы уменьшения нелинейности, гистерезиса и старения магнитоупругих преобразователей;

– принцип действия и конструкцию гальваномагниторекомбинационных преобразователей;

– принцип действия и конструкцию датчика Виганда.

Для успешного овладения материалом УЭ–1 следует изучить пп. 6.1–6.3 учебного текста УМК (Магнитоупругие преобразователи. Датчики Виганда. Гальваномагниторекомбинационные преобразователи).

УЭ 2 «Гальваномагнитные приборы: датчики Холла, магниторезисторы, магнитодиоды».

Учебные цели УЭ–2

Студент должен:

• иметь представление:

– о материалах для изготовления датчиков Холла;

– о параметрах датчиков Холла из антимонида индия;

– о применении гальваномагнитных преобразователей в средствах автоматизации;

– о бесконтактных клавишах для ручного ввода информации на магнитодиодах;

– о топологии фотошаблонов для изготовления кристалла магнитодиода.

• знать:

– основные гальваномагнитные эффекты;

– схему включения датчиков Холла;

– основные параметры датчиков Холла и их связь со свойствами полупроводника;

– технологию получения элементов Холла;

– основные параметры и технологию изготовления магниторезисторов;

– сущность магнитодиодного эффекта;

– основные параметры магнитодиодов;

– конструкцию, технологию изготовления и особенности «торцевых» и «планарных» магнитодиодов;

– применение магнитодиодов;

– технологию изготовления магнитодиода.

• владеть:

– методикой расчета параметров магнитодиода.

• уметь использовать:

– рекомендации по эксплуатации для проектирования устройств с магнитодиодами;

– знания о примерном маршруте изготовления магнитодиодов по планарной технологии для проектирования датчиков физических и механических величин.

Для успешного овладения материалом УЭ–2 следует изучить главу 3 учебного пособия (Гальваномагнитные преобразователи).

УЭ–3 Лабораторная работа №6 «Исследование характеристик магнитных материалов гальваномагнитными преобразователями».

УЭ–4 Лабораторная работа №7 «Определение магнитной индукции в зазорах дипольной и квадрупольной магнитных систем».

УЭ–К Выходной контроль по модулю.

После изучения данного модуля Вам необходимо проверить свои знания, ответив на вопросы или выполнив задания:

1.  сущность магнитоупругого эффекта;

2.  приведите формулы преобразований магнитоупругих преобразователей;

3.  поверхностный эффект в магнитоупругих преобразователях: методы уменьшения его влияния;

4.  принцип действия магнитоанизотропного трансформаторного преобразователя;

5.  для чего в плечо, смежное с измерительным, в магнитоупругих преобразователем включается аналогичный преобразователь?

6.  дайте характеристику схем включения магнитоупругих преобразователей;

7.  охарактеризуйте методы уменьшения нелинейности работы магнитоупругих преобразователей;

8.  методы уменьшения гистерезиса функции преобразования магнитоупругих преобразователей;

9.  приведите конструкцию и принцип действия магнитоупругого датчика измерения силы;

10.  гальваномагниторекомбинационные преобразователи: принцип действия, конструкция, материалы;

11.  приведите основные параметры гальваномагниторекомбинационных преобразователей;

12.  приведите схемы включения гальваномагниторекомбинационных преобразователей;

13.  датчик Виганда: достоинства, устройство, применение;

14.  приведите характеристику основных гальваномагнитных эффектов;

15.  объясните сущность эффекта Холла;

16.  охарактеризуйте материалы для изготовления датчиков Холла;

17.  приведите физические свойства материалов для изготовления датчиков Холла;

18.  преимущества и недостатки кремниевых датчиков Холла;

19.  преимущества и недостатки датчиков Холла из антимонида индия;

20.  приведите свойства арсенида галлия, как перспективного полупроводникового материала для изготовления датчиков Холла;

21.  приведите схему включения датчиков Холла, объясните назначение токовых и холловских электродов;

22.  выведите формулу, определяющую КПД датчика Холла;

23.  какие требования необходимо учитывать при проектировании датчиков Холла (по габаритным размерам);

24.  поясните основные параметры датчиков Холла и их связь со свойствами полупроводника;

25.  причины возникновения остаточного напряжения в пластине датчика Холла и методы его уменьшения;

26.  приведите схемы компенсации остаточного напряжения датчика Холла;

27.  поясните технологию выпиливания кристаллической пластины Холла требуемой конфигурации из монокристаллического бруска;

28.  свойства материалов, применяемых для изготовления контактов к монокристаллической пластине Холла;

29.  поясните технологию получения пластин Холла путем напыления на подложку тонких слоев полупроводниковых материалов;

30.  стадии формирования приборных структур элементов Холла из поликристаллических пленок InSb в изолированных углублениях;

31.  дайте определение магниторезистора, приведите уравнение преобразования магниторезистора;

32.  почему для изготовления магниторезисторов находят применение конструкции в виде диска Корбино и в виде коротких прямоугольных пластинок?

33.  основные параметры магниторезисторов;

34.  что такое нагрузочная способность магниторезистора?

35.  для каких целей в основной материал при изготовлении магниторезисторов добавляют антимонид никеля?

36.  особенности технологии изготовления магниторезисторов

37.  стадии формирования приборных структур магниторезисторов из поликристаллических пленок InSb;

38.  особенности измерения индукции постоянных и переменных магнитных полей гальваномагнитными преобразователями;

39.  проведите сравнение основных параметров преобразователей магнитного поля;

40.  особенности и принцип действия бесконтактных сигнализаторов положения перемещающихся объектов на датчиках Холла и магниторезисторах;

41.  приведите разновидности магнитных систем для индикатора положения на основе гальваномагнитных преобразователей;

42.  поясните принцип действия датчика перемещения на базе магниторезистора;

43.  приведите основные виды магнитных систем датчиков перемещения и зависимости магнитной индукции для них по направлению перемещения;

44.  поясните принцип действия датчика перемещения на базе преобразователя Холла;

45.  поясните схему процесса преобразования, особенности и конструкцию датчика давления с использованием полупроводникового преобразователя Холла;

46.  особенности применения элементов Холла в бесколлекторных двигателях постоянного тока;

47.  сущность магнитодиодного эффекта;

48.  объясните понятие: «длинный» диод;

49.  приведите выражения, описывающие ВАХ обычного и «длинного» диодов;

50.  какие условия необходимы для реализации магнитодиодного эффекта в полупроводниковых структурах?

51.  охарактеризуйте основные параметры магнитодиодов;

52.  от каких факторов зависит магнитная чувствительность магнитодиодов?

53.  охарактеризуйте зависимость электрических параметров магнитодиодов от температуры;

54.  что такое индукция реверсии магнитодиода?

55.  требования, предъявляемые к материалам для изготовления магнитодиодов;

56.  приведите примеры конструкций, ВАХ и особенности технологии изготовления «торцевых» магнитодиодов;

57.  приведите особенности получения «торцевых» магнитодиодов методами ионного легирования и сплавной технологии;

58.  приведите примеры конструкций, ВАХ и особенности технологии изготовления «планарных» магнитодиодов;

59.  какими методами создаются зоны с повышенной скоростью рекомбинации носителей при изготовлении «планарных» магнитодиодов;

60.  приведите особенности применения контакта металл – полупроводник для изготовлении «планарных» магнитодиодов;

61.  приведите конструкцию, технологию изготовления и ВАХ магнитодиодов, изготовленных с использованием контакта металл – полупроводник;

62.  приведите рекомендации по эксплуатации магнитодиодов;

63.  приведите конструкции, принцип действия и особенности проектирования бесконтактных клавишей для ручного ввода информации на магнитодиодах;

64.  приведите конструкцию, электрическую схему, принцип действия и особенности проектирования датчика постоянного тока на магнитодиодах;

65.  поясните принципиальную электрическую схему датчика положения движущихся предметов на магнитодиодах;

66.  приведите конструкцию, электрическую схему и принцип действия преобразователя частоты вращения на магнитодиодах;

67.  объясните схему технологического процесса изготовления магнитодиода;

68.  особенности технологии изготовления магнитодиодов из кремния;

69.  для каких целей при изготовлении магнитодиодов используют пленки хрома и меди;

70.  поясните назначение и приведите топологию фотошаблонов для изготовления кристалла магнитодиода.

Модуль 6 «Датчики температуры и тепловых потоков»

Руководство по обучению

УЭ 1 «Датчики температуры».

Учебные цели УЭ–1

Студент должен:

• иметь представление:

– об основных задачах измерения температуры жидкостных и газовых сред в ракетно-космической технике и реакторной термометрии;

– о значениях коэффициента конвективного теплообмена;

– о значениях длин волн, соответствующих спектральному максимуму излучения и полной спектральной светимости для различных температур абсолютно черного тела;

– об интегральной излучательной способности различных материалов;

– об особенностях технологии, ВАХ и принципах работы терморезисторов с положительным и отрицательным ТКС;

– о характеристиках серийных датчиков температуры на основе кремния р-, n- типов, структур КНС;

– об особенностях бесконтактных измерителей температуры;

– о материалах для изготовления пироэлектриков.

• знать:

– механизмы теплопередачи;

– погрешности температурных измерений контактными датчиками, методы их учета и уменьшения;

– материалы для изготовления монокристаллических терморезисторов, работающих в различных диапазонах рабочих температур;

– методы уменьшения инерционности терморезисторов;

– методы повышения пространственного разрешения терморезисторов;

– способы линеаризации характеристик терморезисторов;

– основные технические характеристики, устройство и конструкцию медного, платинового и марганцевого пленочных термометров сопротивления;

– схему изготовления чувствительного элемента датчика температуры;

– области применения пироэлектриков;

– методы определения основных параметров пироактивного кристалла при изменениях температуры.

• владеть:

– особенностями монтажа терморезисторов;

– методикой расчета параметров чувствительного элемента датчика температуры.

• уметь использовать:

– знания о примерном маршруте изготовления ЧЭ датчика температуры для проектирования температурных датчиков.

Для успешного овладения материалом УЭ–1 следует изучить главу 4 учебного пособия (Датчики температуры (кроме п. 4.7.5 – Теплоприемник ФКБ)), и пп. 5.1,5.2,5.6–5.8 учебного текста УМК (Физические основы температурных измерений. Погрешности температурных измерений контактными датчиками. Бесконтактные измерители температуры. Тепловые фотоприемники. Применение пироэлектриков).

УЭ 2 «Датчики теплового потока».

Учебные цели УЭ–3

Студент должен:

• иметь представление:

– о лучистой и конвективной составляющих теплового потока (ТП);

– о примерах промышленных тонкопленочных, калориметрических и градиентных ДТП;

– об основных технических характеристиках теплоприемника ФКБ.

• знать:

– основные задачи измерений ТП на объектах авиационной и ракетно-космической техники;

– классификацию ДТП;

– физические модели «тепловых» ДТП;

– принцип действия, конструктивные особенности, материалы для изготовления тонкопленочных, калориметрических и градиентных ДТП;

– конструкцию и принцип действия теплоприемника ФКБ.

Для успешного овладения материалом УЭ–5 следует изучить п. 4.7.5. учебного пособия (Теплоприемник ФКБ), и пп. 5.3–5.5 учебного текста УМК (Основные задачи измерений тепловых потоков. Классификация датчиков теплового потока. Физические модели «тепловых» датчиков теплового потока).

УЭ–3 Лабораторная работа № 3 «Исследование работы датчиков температуры»

УЭ–4 Лабораторная работа №4 «Исследование работы элементов Пельтье».

УЭ–К Выходной контроль по модулю.

После изучения данного модуля Вам необходимо проверить свои знания, ответив на вопросы или выполнив задания:

1.  приведите отличительные особенности датчиков, предназначенных для измерения температуры жидкостных и газовых сред в ракетной технике;

2.  перечислите основные задачи измерения температуры жидкостных и газовых сред в ракетно-космической технике;

3.  поясните особенности измерения температуры высококипящих компонентов, криогенных компонентов топлива, сверхбольших температур (+2000…+3000С);

4.  специфические факторы при измерениях температуры в реакторной термометрии;

5.  что является физической основой температурных измерений?

6.  какое измерение температуры является корректным?

7.  проведите аналогию между тепловой и механической энергией, подтвердите ответ математически;

8.  что такое процесс теплообмена?

9.  охарактеризуйте механизмы теплопередачи;

10.  приведите закон Фурье для удельного теплового потока;

11.  приведите нестационарное уравнение теплопроводности;

12.  дайте определения коэффициентов теплопроводности и температуропроводности;

13.  что является определяющим механизмом теплопередачи от среды к датчику при измерениях температуры среды?

14.  какой механизм теплопередачи присущ только газам и жидкостям?

15.  приведите уравнение Ньютона для удельного теплового потока;

16.  на каком механизме теплопередачи основаны бесконтактные методы измерения температуры твердых тел или светящихся газов?

17.  поясните уравнение Планка для спектральной плотности излучения абсолютно черного тела;

18.  как определяется полная интегральная светимость абсолютно черного тела (закон Стефана–Больцмана)?

19.  как определяется коэффициент черноты любого реального тела?

20.  приведите примеры значений интегральной излучательной способности различных материалов;

21.  чем обусловлена динамическая погрешность, возникающая при измерениях нестационарных температур?

22.  какие виды дополнительных погрешностей возникают из-за наличия внешних источников энергии при измерениях температур?

23.  представьте схемы измерения температуры тонкой пластины плоским термометром сопротивления;

24.  приведите выражения, позволяющие оценить погрешность при измерениях стационарной температуры пластины плоским термометром сопротивления;

25.  приведите выражения, позволяющие оценить погрешность при измерениях нестационарной температуры пластины плоским термометром сопротивления;

26.  поясните метод измерения температуры пластины термопарой;

27.  объясните схему формирования погрешностей датчика, измеряющего температуру среды;

28.  из-за чего появляется статико-динамическая погрешность при измерениях температуры и как она определяется?

29.  поясните понятия: «темп изменения температуры стержня датчика», «термическая инерция», «тепловой фактор», приведите поясняющие математические зависимости;

30.  какие параметры следует учитывать при определении величин статических погрешностей? Приведите поясняющие математические зависимости;

31.  дайте оценку погрешности, обусловленной радиационным теплообменом датчика со стенками магистрали, имеющими температуру ниже измеряемой температуры среды;

32.  какие существуют способы снижения погрешностей, обусловленных радиационными потерями?

33.  что такое коэффициент восстановления? Приведите его типичные значения для измерителей температуры и способы его повышения;

34.  опишите технологию, лежащую в основе промышленного массового производства терморезисторов;

35.  из-за чего проявляется временная нестабильность терморезисторов? Приведите методы ее устранения;

36.  охарактеризуйте материалы для изготовления монокристаллических терморезисторов, работающих в различных диапазонах рабочих температур;

37.  какими параметрами можно учесть инерционность свойств терморезисторов? Какие существуют методы уменьшения инерционности его работы?

38.  приведите примеры и технические характеристики быстродействующих терморезисторов;

39.  опишите влияние магнитного поля на характеристики низкотемпературных терморезисторов и охарактеризуйте методы понижения чувствительности терморезисторов к магнитному полю;

40.  опишите методы повышения пространственного разрешения терморезисторов;

41.  приведите специальные требования к современным температурным датчикам;

42.  приведите выражения, описывающие температурную зависимость сопротивления терморезисторов с отрицательным ТКС;

43.  что такое статическая вольт-амперная характеристика терморезистора?

44.  от каких факторов зависит тепловая инерционность терморезистора?

45.  как изменяется сопротивление терморезисторов при хранении?

46.  почему следует ограничивать ток, проходящий через чувствительный элемент терморезистора?

47.  опишите особенности монтажа терморезисторов;

48.  приведите схему моста Уитстона для терморезисторов, объясните ее принцип работы;

49.  приведите принципиальную схему прибора для измерения температуры на основе терморезисторов, опишите ее принцип работы и порядок настройки;

50.  дайте определение терморезистора с отрицательным ТКС, соответствующее стандарту Международной электротехнической комиссии;

51.  опишите материалы и особенности технологии изготовления терморезисторов с отрицательным ТКС;

52.  приведите вольт-амперную характеристику терморезистора с отрицательным ТКС. Из-за чего на ней имеется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением?

53.  чем объясняется отличие ВАХ терморезисторов на воздухе и в воде;

54.  приведите примеры линеаризации характеристики терморезистора с отрицательным ТКС посредством параллельного, последовательного и комбинированного включения дополнительного термонезависимого сопротивления;

55.  приведите формулы, определяющие сопротивление линеаризующего резистора;

56.  представьте рабочую характеристику и ВАХ терморезистора с положительным ТКС;

57.  приведите характеристику кремниевого датчика температуры и методы ее линеаризации;

58.  поясните выражение, позволяющее определить величину линеаризующего сопротивления кремниевого датчика температуры;

59.  опишите устройство измерительной схемы кремниевого датчика температуры;

60.  приведите характеристики и особенности серийных датчиков температуры на основе кремния р-, n- типов, структур КНС;

61.  приведите недостатки проволочных термометров сопротивления;

62.  медный пленочный термометр сопротивления: основные технические характеристики, устройство, конструкция, методы подгонки величины сопротивления в номинал;

63.  платиновый пленочный термометр сопротивления: особенности технологии, устройство;

64.  марганцевый пленочный термометр сопротивления: основные технические характеристики, устройство, конструкция, верхний предел пригодности применения –марганцевого термометра;

65.  приведите последовательность проведения расчета статических характеристик ЧЭ полупроводникового датчика температуры;

66.  приведите последовательность проведения конструктивного расчета терморезистора;

67.  приведите последовательность проведения конструктивного расчета термонезависимого сопротивления в тонкопленочном исполнении;

68.  приведите схему изготовления чувствительного элемента датчика температуры;

69.  что лежит в основе методов оптической пирометрии?

70.  основное условие применимости методов пирометрии;

71.  преимущества методов оптической пирометрии;

72.  недостатки и ограничения методов оптической пирометрии;

73.  осуществите классификацию и объясните устройство тепловых фотоприемников;

74.  приведите схематическое устройство и принцип действия пироприемника;

75.  какие материалы используются для изготовления пироэлектриков?

76.  в чем отличие сегнетоэлектрических кристаллов от линейных пироэлектриков?

77.  охарактеризуйте методы придания сегнетоэлектрическим кристаллам пироэлектрических свойств;

78.  объясните преимущества пироэлектрических приемников излучения;

79.  приведите наиболее значимые области применения пироэлектриков;

80.  приведите уравнение теплового баланса пироактивного кристалла и его решение;

81.  как определяются пироэлектрический ток и вольтовая чувствительность пироактивного кристалла?

82.  в каком случае пироэлектрический коэффициент в пироэлектрике принимает максимальное значение?

83.  опишите особенности лучистой и конвективной составляющих ТП;

84.  какие методы используют при конструировании ДТП для измерения чисто лучистой или чисто конвективной составляющих ТП;

85.  приведите основные задачи измерений ТП на объектах авиационной и ракетно-космической техники;

86.  что является главной задачей при измерениях кондуктивных ТП малой плотности?

87.  поясните основные требования, предъявляемые к датчикам конвективного ТП при газодинамических испытаниях;

88.  приведите особенности ДТП с использованием фотоэлектрического эффекта;

89.  приведите особенности «тепловых» ДТП;

90.  приведите физическую модель двухслойного одномерного ДТП, объясните его принцип работы;

91.  приведите физическую модель ДТП с поперечным градиентом температуры, объясните его принцип работы;

92.  классифицируйте одномерные ДТП;

93.  тонкопленочные ДТП: определение, физическая модель, достоинства, материалы изготовления, применение;

94.  приведите уравнение теплопроводности для полуограниченного тела с краевыми условиями II-го рода,

95.  калориметрические ДТП: достоинства, принцип действия, математической модели, проблемы разработки и эксплуатации, примеры конструктивных реализаций, область применения;

96.  для каких целей в калориметрических ДТП используют охранные кольца?

97.  как обеспечить малую инерционность калориметрических ДТП?

98.  поясните принцип действия градиентных ДТП;

99.  датчик с продольным градиентом: принцип действия, материалы для изготовления, область применения, достоинства, примеры промышленных датчиков;

100.  приведите выражение для определения ТП датчика с продольным градиентом в стационарном режиме;

101.  как связанны толщина тепловоспринимающего элемента ДТП с продольным градиентом и показатель тепловой инерции датчика?

102.  для каких целей применяют батарейные ДТП с продольным градиентом?

103.  приведите материалы для изготовления батарейных ДТП, их достоинства и недостатки;

104.  приведите конструкцию ДТП с поперечным градиентом температуры, объясните его принцип действия;

105.  приведите уравнение теплопроводности ТВЭ ДТП с поперечным градиентом температуры в цилиндрических координатах и его решение (для установившегося режима);

106.  как определяется чувствительность ДТП с поперечным градиентом температуры?

107.  как определяется инерционность датчика Гардона?

108.  достоинства и недостатки датчика Гардона;

109.  какими методами добиваются увеличения чувствительности датчика с поперечным градиентом температуры?

110.  приведите примеры промышленных датчиков с поперечным градиентом температуры;

111.  приведите основные технические характеристики теплоприемника ФКБ;

112.  опишите конструкцию, применяемые материалы и принцип действия теплоприемника ФКБ.

Модуль 7 «Особенности проектирования и применения биологических, химических, медицинских датчиков»

Руководство по обучению

УЭ 1 «Биосенсоры. Датчики газового состава. Электрохимические датчики. Медицинские датчики».

Учебные цели УЭ–1

Студент должен:

• иметь представление:

– о биоселектирующих материалах биодатчиков;

– о принципе действия электрода Кларка;

– о биосенсорах на основе бактерий, микроорганизмов и биологических тканей;

– о электрохемилюминесценции;

– об основных газах, анализируемых с помощью оптических излучений.

• знать:

– принципиальную схему биосенсора;

– особенности ферментных и клеточных биосенсоров;

– классификацию датчиков газового состава;

– принцип действия и конструкцию трехэлектродной ячейки;

– электрохимические методы анализа химических веществ;

– требования, применяемые к электродам ЭКГ;

– особенности применения медицинских датчиков в эхокардиографии и фонокардиографии;

– принципиальные схемы инфракрасных бездисперсионных двухлучевых спектрометров.

Для успешного овладения материалом УЭ–1 следует изучить пп. 7.1, 7.2 и 7.4 учебного текста УМК (Биосенсоры. Датчики газового состава. Медицинские датчики).

УЭ 2 «Химические измерения».

Учебные цели УЭ–2

Студент должен:

• иметь представление:

– о водородном потенциале;

– об измерениях окислительно-восстановительного потенциала;

– о преобразователях для измерения концентраций специфических ионов;

– о резистивном газовом анализе.

• знать:

– конструкции измерительных преобразователей для определения значений водородного потенциала;

– принципы измерения проводимости растворов;

– принцип действия преобразователя выхлопных газов на основе двуокиси циркония.

Для успешного овладения материалом УЭ–2 следует изучить п. 7.3 учебного текста УМК (Химические измерения).

УЭ–К Выходной контроль по модулю.

После изучения данного модуля Вам необходимо проверить свои знания, ответив на вопросы или выполнив задания:

1.  опишите функциональные элементы любого биодатчика;

2.  что выступает в роли биоселектирующего материала в биодатчиках?

3.  приведите принципиальную схему биосенсора;

4.  какие типы биосенсоров в настоящее время находят наибольшее применение?

5.  объясните конструкцию ферментного биосенсора;

6.  опишите процесс электрокаталитического транспорта электронов при иммобилизации ферментов;

7.  приведите особенности клеточных биосенсоров;

8.  опишите сферы применения ферментных и клеточных биосенсоров;

9.  какие факторы препятствовали широкому практическому применению ферментов?

10.  поясните термин «биосенсор»;

11.  опишите виды физических преобразователей сигналов от биосенсоров, поясните их принцип действия;

12.  что является основной задачей при конструировании биосенсора ? Поясните ответ;

13.  для каких целей применяется иммобилизация фермента?

14.  поясните принцип действия электрода Кларка и его основные преимущества и недостатки;

15.  какие существуют способы улучшения селективности биосенсоров и методы устранения помех от посторонних примесей?

16.  опишите достоинства и недостатки применения бактерий, микроорганизмов и биологических тканей при проектировании биосенсоров;

17.  приведите примеры биосенсоров на основе бактерий, микроорганизмов и биологических тканей;

18.  приведите пример микробного сенсора;

19.  какие существуют проблемы градуировки биосенсоров и надежности их показаний? Охарактеризуйте методы повышения надежности биосенсоров;

20.  поясните отличия между датчиками и анализаторами газа;

21.  приведите классификацию датчиков газового состава и основные требования, предъявляемые к ним;

22.  от каких факторов зависит потенциал электрохимической ячейки при протекании через нее электрического тока?

23. опишите принцип действия и конструкцию трехэлектродной ячейки;

24.  от каких факторов зависят скорость электродной реакции и перенапряжение при поляризации?

25.  дайте описание электрохимических методов анализа химических веществ;

26.  кондуктометрия: назначение, условия проведения измерений, кондуктометрическое титрование;

27.  потенциометрия: назначение, принцип функционирования;

28.  вольтамперометрия: назначение, особенности, классификация видов;

29.  поясните особенности амперометрии;

30.  кулонометрия: закон Фарадея, принцип действия, особенности реализации, кулонометрическое титрование;

31.  объясните явление электрохемилюминесценции;

32.  поясните принцип действия потенциометрических, ферментных и газовых электродов;

33.  полупроводниковые химические сенсоры: принцип действия, особенности применения;

34.  какие существуют датчики для оптического измерения уровня pH?

35.  объясните принцип действия анализаторов газов с использованием видимого и ультрафиолетового излучения;

36.  опишите особенности анализаторов, использующих ИК-излучение;

37.  приведите принципиальную схему инфракрасного бездисперсионного двухлучевого спектрометра с положительным фильтром и объясните ее принцип действия;

38.  приведите принципиальную схему инфракрасного бездисперсионного двухлучевого спектрометра с отрицательным фильтром и объясните ее принцип действия;

39.  в чем отличия электродов и датчиков медицинской информации?

40.  приведите требования, применяемые к электродам ЭКГ;

41.  эхокардиография: физические принципы метода, режимы работы;

42.  метод фонокардиографии: устройство фонокардиографа, виды применяемых микрофонов;

43.  принцип действия динамических микрофонов применяемых в фонокардиографии;

44.  приведите требования, предъявляемые к пробникам при химических измерениях;

45.  приведите конструкции измерительных преобразователей для определения значений водородного потенциала;

46.  поясните конструкцию комбинированного рН–преобразователя, содержащего в одном зонде рН–электрод и опорный электрод;

47.  поясните принципы измерения проводимости растворов;

48.  преобразователь выхлопных газов на основе двуокиси циркония: конструкция, принцип действия, особенности применяемых материалов;

49.  приведите примеры резистивных измерительных преобразователей, применямых для химических измерений.

Модуль 8 «Интеллектуальные» датчики»

Руководство по обучению

УЭ 1 «Особенности «интеллектуальных» датчиков физических величин».

Учебные цели УЭ–1

Студент должен:

• иметь представление:

– о семействе стандартов Р 1451;

– об основных функциональных узлах, выделяемых в «интеллектуальных» датчиках, поддерживающих семейство стандартов Р 1451;

– о TEDS калибровках.

• знать:

– требования, предъявляемые к процессорным преобразователям датчиков физических величин;

– функциональные возможности, обеспечиваемые «интеллектуальными» датчиками;

– классификацию датчико-преобразующей аппаратуры, имеющей цифровой выход;

– особенности и преимущества, получаемые от использования «интеллектуальных» датчиков;

– общую структурную схему микропроцессорных модулей интеллектуальной обработки информации с датчиков физических величин;

– структурную схему передачи информации интеллектуального измерительного канала;

– классификацию и возможности, предоставляемые программным обеспечением измерительного канала «интеллектуальных» датчиков;

– основные критерии выбора микроконтроллеров;

– функциональные возможности, обеспечиваемые универсальным интерфейсом преобразователя.

• владеть:

– методами определения требований, предъявляемых к микроконтроллеру для применения в «интеллектуальных» датчиках;

– знаниями технических параметров, по которым сравниваются различные модели микроконтроллеров.

• уметь использовать:

– последовательность логических шагов при создании новой информационно-измерительной датчиковой сети с использованием стандартов Р 1451.

Для успешного овладения материалом УЭ–1 следует изучить пп. 8.1–8.8 учебного текста УМК (Особенности «интеллектуальных» датчиков физических величин. Функциональные возможности и требования, предъявляемые к «интеллектуальным» датчикам. Микропроцессорные модули для интеллектуальной обработки информации. Измерительный канал «интеллектуальных» датчиков. Основные критерии выбора микроконтроллера. Универсальный интерфейс преобразователя. Стандартизация интерфейсов «интеллектуальных» датчиков (семейство IEEE Р 1451). Коррекция ошибок в «интеллектуальных» датчиках).

УЭ 2 «Примеры реализации «интеллектуализации» датчиков. Перспективы разработки и производства изделий интеллектуальной микросенсорики в РБ».

Учебные цели УЭ–2

Студент должен:

• иметь представление:

– о результатах выполнения Государственной научно-технической программы «Белсенсор», касающихся производства датчиков;

– о Государственной научно-технической программе РБ по производству датчиков на период 2000–2005 гг;

– о предприятиях РБ, производство которых широко оснащается датчиками.

• знать:

– структурную схему «интеллектуального» датчика давления МРХ2010 и его функции интеллектуализации;

– технические особенности и функциональные возможности микропроцессорного датчика объема VG–61;

– технические особенности и функциональные возможности датчика удара SG–202;

– принцип действия, особенности и преимущества интеллектуального датчика плотности Kay–Ray 3680.

Для успешного овладения материалом УЭ–2 следует изучить пп. 8.9 и 8.10 учебного текста УМК (Перспективы разработки и производства изделий интеллектуальной микросенсорики в Республике Беларусь. Примеры реализации «интеллектуализации» датчиков).

УЭ–К Выходной контроль по модулю.

После изучения данного модуля Вам необходимо проверить свои знания, ответив на вопросы или выполнив задания:

1.  поясните особенности и преимущества, получаемые от использования «интеллектуальных» датчиков;

2.  какие преимущества обеспечивает применение цифровых методов обработки информации, получаемой с первичных датчиков физических величин?

3.  проведите классификацию датчико-преобразующей аппаратуры, имеющей цифровой выход;

4.  проведите анализ производителей датчико-преобразующей аппаратуры со встроенными микроконтроллерами;

5.  приведите примеры промышленных многофункциональных измерительных преобразователей;

6.  поясните основные функциональные возможности, обеспечиваемые «интеллектуальными» датчиками;

7.  поясните дополнительные функциональные возможности, обеспечиваемые «интеллектуальными» датчиками;

8.  какими методами обеспечивается режим минимизации энергопотребления в «интеллектуальных» датчиках?

9.  что подразумевается под удаленным конфигурированием и диагностикой на расстоянии «интеллектуальных» датчиков?

10.  приведите требования, предъявляемые к процессорным преобразователям датчиков физических величин;

11.  произведите сравнение микропроцессоров, применяемых в датчико-преобразующей аппаратуре;

12.  поясните преимущества и недостатки следующих микропроцессоров: ADuC812, MSC51, 8ХС552, DS5000T, ЦОС;

13.  что такое PIC-процессоры? Приведите их особенности;

14.  какие устройства входят в аналоговый канал микропроцессорных модулей интеллектуальной обработки информации?

15.  какие устройства образуют вычислительный канал микропроцессорных модулей интеллектуальной обработки информации?

16.  объясните недостатки микропроцессорных модулей с последовательным интерфейсом;

17.  поясните структурную схему передачи информации интеллектуального измерительного канала;

18.  приведите признаки, лежащие в основе классификации программного обеспечения измерительного канала «интеллектуальных» датчиков;

19.  осуществите полную классификацию программного обеспечения (по виду алгоритма преобразования, по номенклатуре входных воздействий);

20.  какие функциональные возможности и сервисные функции позволяет обеспечить программное обеспечение измерительного канала «интеллектуальных» датчиков?

21.  поясните основные критерии выбора микроконтроллера;

22.  что подразумевается под понятием «пригодность для прикладной системы» при выборе микроконтроллера?

23.  что включает в себя поддержка разработчика при поставке микроконтроллера для датчиковой системы?

24.  какие требования необходимо учесть, и на какие вопросы следует ответить конструктору при проектировании датчиковой системы с микроконтроллером?

25.  какие существуют дополнительные устройства, встроенные в микропроцессорное ядро микроконтроллера?

26.  укажите технические параметры, по которым производится сравнение различных моделей микроконтроллеров;

27.  приведите функциональные возможности, обеспечиваемые универсальным интерфейсом преобразователя;

28.  приведите функциональную схему «интеллектуального» полнооборотного датчика угла с алгоритмом коррекции, его возможности и характеристики;

29.  приведите обобщенную схему реализации датчиковой системы;

30.  поясните устройство прототипного узла «интеллектуального» датчика;

31.  поясните устройство прототипного узла контроллера;

32.  какие основные функциональные узлы выделяют в «интеллектуальных» датчиках, поддерживающих семейство стандартов Р 1451?

33.  поясните основные идеи, заложенные в семейство стандартов Р 1451;

34.  объясните последовательность логических шагов при создании новой информационно-измерительной сети с использованием стандартов Р 1451;

35.  приведите структуру стандарта IEEE Р 1451;

36.  опишите стандарты IEEE P 1451.1 и IEEE Р 1451.2;

37.  для чего служат стандарты IEEE P 1451.3 и IEEE P 1451?

38.  выделите преимущества системного подхода для проектирования датчиков с электронными спецификациями TEDS;

39.  поясните назначение TEDS калибровок;

40.  какие параметры используют при создании TEDS калибровок?

41.  какие функциональные возможности обеспечивает применение TEDS калибровок, разработанных компанией Atmos Engineering?

42.  приведите последовательность шагов при калибровке «интеллектуального» датчика;

43.  приведите структурную схему «интеллектуального» датчика давления МРХ2010;

44.  какие функции интеллектуализации обеспечивает «интеллектуальный» датчик давления МРХ2010?

45.  приведите основные технические особенности и функциональные возможности микропроцессорного датчика объема VG–61;

46.  поясните достоинства микропроцессорного датчика удара SG–202;

47.  приведите технические особенности и функциональные возможности датчика удара SG–202;

48.  поясните достоинства интеллектуального датчика плотности Kay–Ray 3680;

49.  объясните принцип действия интеллектуального датчика плотности Kay–Ray 3680;

50.  приведите особенности и преимущества интеллектуального датчика плотности Kay–Ray 3680;

51.  интеллектуальный датчик плотности Kay–Ray 3680: точность, надежность, характеристика передачи информации;

52.  какие результаты в производстве датчиков с элементами интеллектуальной обработки информации были достигнуты в результате выполнения Государственной научно-технической программы «Белсенсор»?

53.  какая организация в РБ является головной по производству датчиков?

54.  на каких предприятиях РБ широко внедряются датчики, разработанные в результате выполнения программы «Белсенсор»?

55.  какая программа по производству датчиков реализуется в РБ в период 2000–2005 гг.? Приведите основные разделы этой программы.

Модуль 9 «Сопряжение преобразователей с измерительной аппаратурой»

Руководство по обучению

УЭ 1 «Сопряжение преобразователей с измерительной аппаратурой».

Учебные цели УЭ–1

Студент должен:

• иметь представление:

– о влиянии температуры на работу тензометров;

– о проблемах возникновения шумов в датчиковых системах.

• знать:

– способы сопряжения резистивного преобразователя на основе преобразования изменения сопротивления в изменение напряжения;

– схемы температурной компенсации тензометров;

– особенности различных способов заземления датчиковых систем;

– методы определения отношения сигнал/шум отдельно взятого датчика и всей датчиковой системы.

• владеть:

– методами определения выходного напряжения резистивных преобразователей при различных способах сопряжения;

– методами определения отношения сигнал/шум отдельного датчика и датчиковой системы

• уметь использовать:

– знания о последовательности технологических операций при установке тензометров;

– способы заземления датчиковых систем;

– схемы защитных колец для сокращения взаимных помех в системах датчик–усилитель;

Для успешного овладения материалом УЭ–1 следует изучить гл. 9 учебного текста УМК (Сопряжение преобразователей с измерительной аппаратурой).

УЭ–К Выходной контроль по модулю.

После изучения данного модуля Вам необходимо проверить свои знания, ответив на вопросы или выполнив задания:

1.  приведите способы сопряжения резистивных преобразователей на основе преобразования изменения сопротивления в изменение напряжения;

2.  поясните преимущества, обеспечиваемые применением источника постоянного тока для обеспечения возбуждения резистивного преобразователя;

3.  каким методом можно сбалансировать мост Уитстона?

4.  приведите мостовую схему сопряжения тензометров и соответствующую ей механическую конструкцию элементов;

5.  как определяется выходное напряжение при различных способах сопряжения резистивных преобразователей?

6.  опишите влияние температуры на работу тензометров. Поясните методы компенсации температуры;

7.  изобразите схему трехпроводного подсоединения преобразователя к мостовой схеме, поясните принцип температурной компенсации для данного случая;

8.  изобразите схему температурной компенсации тензометра с проволочным контуром. Поясните принцип температурной компенсации для данного случая;

9.  для каких целей при температурной компенсации соединительные провода свивают в единый жгут?

10.  поясните последовательность технологических операций при установке тензометров;

11.  опишите проблему возникновения шумов в системах с чувствительными элементами;

12.  что такое взаимные помехи?

13.  приведите примеры емкостного и индуктивного взаимодействия датчиковых систем;

14.  из-за чего возникают взаимные помехи, обусловленные емкостной связью, в датчиковых системах?

15.  что такое емкостной низкочастотный фон?

16.  какие факторы лежат в основе возникновения емкостных перекрестных помех?

17.  приведите эквивалентную схему электростатического экрана для случая применения экранированного соединительного кабеля с измерительным преобразователем. Поясните ее назначение и особенности работы;

18.  почему могут возникать взаимные помехи, при использовании заземления экрана соединительного кабеля в двух точках (у источника и приемника сигналов)?

19.  приведите способы заземления. Объясните их особенности;

20.  поясните особенности равновесного способа соединения источника сигнала (датчика) и приемника информации (усилителя);

21.  объясните особенности использования усилителя сигнала (от датчика) с большим входным сопротивлением;

22.  приведите схему применения защитных колец для сокращения взаимных помех;

23.  из-за чего возникают случайные шумы в датчиковых системах? Поясните методы их уменьшения;

24.  приведите зависимость, определяющую отношение сигнал/шум (в дБ) датчика;

25.  как определить показатель шума датчиковой системы?

26.  приведите пример определения отношения сигнал/шум системы: измерительный преобразователь – усилитель – дисплей. Поясните методы уменьшения шумов данной системы.

Модуль 10 «Особенности исполнения и испытаний датчиков»

Руководство по обучению

УЭ 1 «Особенности исполнения и испытаний датчиков».

Учебные цели УЭ–1

Студент должен:

• иметь представление:

– о нормальных значениях факторов внешней среды, применяемых при испытаниях датчиковой аппаратуры;

– о значениях атмосферного давления в зависимости от высоты над уровнем моря;

– о соответствии значений амплитуды смещения и амплитуды ускорения групп исполнения датчиков в зависимости от устойчивости к воздействию синусоидальной вибрации.

• знать:

– варианты описания особенностей конструктивного исполнения датчиков;

– виды климатического исполнения датчиков;

– категории размещения датчиковой аппаратуры;

– буквенное обозначение датчиковой аппаратуры в зависимости от значения давления окружающей среды;

– исполнение датчиков в зависимости от степени защиты от воздействия твердых тел (пыли) и пресной воды;

– исполнение датчиков в зависимости от устойчивости к воздействию синусоидальной вибрации.

• владеть:

– методами определения вида климатического исполнения датчиковой аппаратуры;

– методами определения исполнения датчиковой аппаратуры в зависимости от степени защиты от воздействия твердых тел (пыли) и пресной воды;

– методами определения исполнения датчиковой аппаратуры в зависимости от устойчивости к воздействию синусоидальной вибрации.

• уметь использовать:

– знания о типовых испытаниях на надежность датчиков давления, проводимых для проверки соответствия рабочих характеристик техническим требованиям.

Для успешного овладения материалом УЭ–1 следует изучить гл. 10 учебного текста УМК (Особенности исполнения и испытаний датчиков).

УЭ–К Выходной контроль по модулю.

После изучения данного модуля Вам необходимо проверить свои знания, ответив на вопросы или выполнив задания:

1.  какие варианты описания особенностей конструктивного исполнения датчиков используются для составления паспортов на них?

2.  какой нормативный документ регламентирует виды исполнения датчиковой аппаратуры?

3.  приведите нормальные значения факторов внешней среды, применяемых при испытаниях датчиковой аппаратуры;

4.  приведите буквенные обозначения групп изделий, предназначенных для эксплуатации на суше, реках, озерах;

5.  приведите буквенные обозначения групп изделий, предназначенных для эксплуатации в макроклиматических районах с морским климатом;

6.  в каком случае к обозначению вида климатического исполнения изделия добавляют знак **;

7.  в каком случае к обозначению вида климатического исполнения изделия добавляют знак *;

8.  для какой аппаратуры не применяют понятие категорий ее размещения?

9.  охарактеризуйте категории 1, 1.1, 2, 2.1 размещения датчиковой аппаратуры;

10.  охарактеризуйте категории 3, 3.1, 4 размещения датчиковой аппаратуры;

11.  охарактеризуйте категории 4.1, 4.2, 5, 5.1 размещения датчиковой аппаратуры;

12.  приведите значение атмосферного давления окружающей среды и высоты над уровнем моря следующих групп датчиковой аппаратуры: а, б, в, г, д;

13.  приведите значение атмосферного давления окружающей среды и высоты над уровнем моря следующих групп датчиковой аппаратуры: е, ж, з, и, к;

14.  приведите значение атмосферного давления окружающей среды и высоты над уровнем моря следующих групп датчиковой аппаратуры: л, м, н, о, п;

15.  приведите среднее значение атмосферного давления для высоты над уровнем моря, тыс. м: 1,0; 2,0; 3,0; 4,0;

16.  приведите среднее значение атмосферного давления для высоты над уровнем моря, тыс. м: 5,0; 6,0; 7,0; 8,0;

17.  приведите среднее значение атмосферного давления для высоты над уровнем моря, тыс. м: 9,0; 10,0; 12,0; 14,0;

18.  приведите среднее значение атмосферного давления для высоты над уровнем моря, тыс. м: 15,0; 16,0; 18,0; 31,0;

19.  какой нормативный документ регламентирует исполнение датчиков в зависимости от степени защиты от воздействия твердых тел (пыли) и пресной воды? Какие для этих целей приняты кодированные обозначения?

20.  как кодируется степень защиты датчиков в зависимости от воздействия твердых тел (пыли) и пресной воды, если предъявляются требования только по одному из указанных параметров? Приведите пример;

21.  охарактеризуйте степени защиты датчиков от попадания внутрь посторонних твердых тел для групп 0–3;

22.  охарактеризуйте степени защиты датчиков от попадания внутрь посторонних твердых тел для групп 4–6;

23.  охарактеризуйте степени защиты датчиков от попадания внутрь воды для групп 0–4;

24.  охарактеризуйте степени защиты датчиков от попадания внутрь воды для групп 5–8;

25.  какой нормативный документ регламентирует исполнение датчиков в зависимости от устойчивости к воздействию синусоидальной вибрации?

26.  охарактеризуйте группы L и N исполнения датчиков в зависимости от устойчивости к воздействию синусоидальной вибрации (по частоте применения, амплитуде смещения, амплитуде ускорения, размещению);

27.  охарактеризуйте группы V и F исполнения датчиков в зависимости от устойчивости к воздействию синусоидальной вибрации (по частоте применения, амплитуде смещения, амплитуде ускорения, размещению);

28.  охарактеризуйте группы F и G исполнения датчиков в зависимости от устойчивости к воздействию синусоидальной вибрации (по частоте применения, амплитуде смещения, амплитуде ускорения, размещению);

29.  охарактеризуйте группы исполнения датчиков, изготавливаемые по требованию потребителя, в зависимости от устойчивости к воздействию синусоидальной вибрации;

30.  какие сложности возникают при проведении испытаний датчиков на надежность?

31.  термоциклирование включенного датчика под переменным давлением: специфика, типовые условия испытаний, потенциальные виды отказов;

32.  воздействие высокой влажности, высокой температуры на включенный датчик давления: специфика, типовые условия испытаний, потенциальные виды отказов;

33.  механический удар, воздействующий на датчик давления: специфика, типовые условия испытаний, потенциальные виды отказов;

34.  воздействие экстремальных температур на датчик давления в условиях хранения: специфика, типовые условия испытаний, потенциальные виды отказов;

35.  термоциклирование датчика давления: специфика, типовые условия испытаний, потенциальные виды отказов;

36.  термический удар, воздействующий на датчик давления: специфика, типовые условия испытаний, потенциальные виды отказов;

37.  приведите перечень типовых испытаний на надежность, используемых для проверки соответствия рабочих характеристик датчиков давления техническим требованиям.