Вопросы для самопроверки 4 Дать кратко письменные ответы:

.

Упражнение 4.1. Пользуясь формулами (4.3) – (4.8) и принимая скорость распространения УЗ волн в воздухе , рассчитайте:

Вариант 1. Расстояние до объекта, если отраженный от него импульс УЗ волн запаздывает на 0,17 мс.

Вариант 2. Времена запаздывания отраженных от объекта УЗ импульсов в УЗ сенсорах, рассчитанных на небольшие расстояния – от 15 до 200 мм.

Вариант 3. Точность, с которой надо измерять времена запаздывания, чтобы обеспечить точность определения расстояний до 0,2 мм.

Вариант 4. Максимальную длительность УЗ импульсов, если требуется определять расстояния, начиная от 15 мм.

Вариант 5.. Максимальную частоту зондирующих УЗ импульсов, если требуется определять расстояния до 20 см.

Вариант 6. Частоту генерируемых УЗ колебаний, если требуется выявлять объекты размерами от 5 мм.

Упражнение 4.2. Пользуясь формулами (4.1) – (4.8) и принимая скорость распространения УЗ волн в тканях человеческого тела , рассчитайте:

Вариант 1. Частоту генерируемых УЗ колебаний, если требуется выявлять объекты размерами от 0,1 мм.

Вариант 2. Длину волны в человеческом теле ультразвуковых акустических колебаний с частотой 15 МГц, используемых в аппарате для УЗИ.

Вариант 3. Доплеровский сдвиг частоты УЗ волн, отраженных от диафрагмы, двигающейся со скоростью 1 см/с, если исходная частота составляет 3,5 МГц.

Вариант 4. Время запаздывания отраженных УЗ сигналов при глубине сканирования человеческого тела от 1 до 30 см.

5.1. Физические основы работы электрических сенсоров-датчиков

К электрическим сенсорам мы относим те сенсоры, первичные сигналы в которых появляются в виде изменения электрических свойств физических тел, веществ или связанных с ними электрических цепей.

Электрические сенсоры, в ряде случаев, могут являться составными частями других сенсоров, обычно рассматриваются в таких случаях как "трансдьюсеры", – преобразователи других видов сигналов в электрическую форму.

Классификация электрических сенсоров

По физическому принципу действия чувствительного элемента электрические сенсоры обычно классифицируют (рис. 5.1) на сенсоры с пассивными и с активными чувствительными элементами.

Рис. 5.1.  Классификация электрических сенсоров по физическому принципу действия

К активным чувствительным элементам относят транзисторы, диоды, нелинейные электронные элементы, имеющие участки вольтамперной характеристики с отрицательным наклоном, газоразрядные и другие элементы, внутри которых вызванные внешним влиянием небольшие изменения сразу же значительно усиливаются за счет внешнего источника энергии.

5.2. Резистивные сенсоры

Одними из простейших электрических сенсоров-датчиков являются резистивные сенсоры, в которых под действием внешнего фактора изменяется сопротивление того или иного участка электрической цепи. Как сказано уже выше, их мы будем классифицировать, исходя из того внешнего фактора, под действием которого изменяется электрическое сопротивление резистора.

Терморезисторы

Датчики– терморезисторы, у которых электрическое сопротивление проводника или полупроводника зависит от температуры.

Точность измерения температуры с использованием терморезисторов зависит от ряда факторов. С точки зрения теплофизики терморезистор характеризуется собственной теплоемкостью и собственным тепловыделением , где – величина электрического тока, который течет через терморезистор, – его электрическое сопротивление. Величину называют еще "мощностью саморазогрева" терморезистора. Температура саморазогрева t зависит от рассеиваемой мощности и коэффициента рассеивания.

Обычно теплоемкость терморезистора тем меньше, чем меньше его масса.

На самом деле терморезистор далеко не всегда находится при температуре, совпадающей с температурой объекта. Ведь он обменивается теплом не только с объектом, температуру которого он должен измерять, но также с окружающей средой и со схемой измерения. Пользуясь известной электротепловой аналогией, эквивалентную теплоэлектрическую схему измерения можно представить в виде, показанном на рис. 5.2.

Рис. 5.2.  Эквивалентная теплоэлектрическая схема измерения температуры

Расчет этой схемы в стационарном режиме, т.е. в состоянии уже достигнутого теплового равновесия, дает для температуры, измеряемой температурным сенсором, следующую формулу

(5.1)

где – тепловые сопротивления между температурным сенсором и объектом, температурным сенсором и окружающей средой, температурным сенсором и измерительной схемой соответственно; – абсолютные температуры объекта, окружающей среды и измерительной схемы соответственно; t-температура саморазогрева.

Отсюда видно, что сенсор будет верно измерять температуру объекта лишь при условии, что и , т.е. если терморезистор находится в тесном тепловом контакте с объектом, а от окружающей среды и от измерительной схемы хорошо теплоизолирован, и если измерительный ток достаточно мал.

Следует помнить, что t = T- T0 , где t –температура по Цельсию; T - температура по Кельвину; T0 = 273,15К,

Из схемы, показанной на рис. 5.2, вытекает также, что, когда температура объекта быстро изменяется, то реакция терморезистора на эти изменения будет зависеть от его тепловой инерции. Она характеризуется временной постоянной . Для того чтобы измерение температуры было малоинерционным, теплоемкость терморезистора СТ должна быть по возможности меньшей, а его тепловой контакт с объектом по возможности лучшим. Подчеркнем, что изложенные соображения относятся не только к терморезисторам, но и ко всем другим температурным сенсорам.

Известно, что электрическое сопротивление металлов возрастает с повышением температуры по закону, известному из школьного курса физики:

(5.2)

где – сопротивление проводника при данной температуре – сопротивление того же проводника при абсолютной температуре – температурный коэффициент сопротивления. Все металлы имеют положительный температурный коэффициент сопротивления. С целью уменьшения теплоемкости терморезисторы из металлов обычно изготавливают в виде очень тонких проволочек или пленок. Чаще всего используют платину, вольфрам, никель, которые имеют высокую температуру плавления, отличаются своей химической, термической и механической стойкостью и долговременной стабильностью. Однако температурные коэффициенты сопротивления у них относительно невелики.

Термисторы

Более значительные по величине и разные по знаку температурные коэффициенты электрического сопротивления имеют полупроводники. Полупроводниковые терморезисторы принято называть термисторами.

Фоторезисторы

Следующим видом резистивных сенсоров являются фоторезисторы. Их электрическое сопротивление зависит от освещенности. Фоторезисторы изготавливают чаще всего из полупроводников группы путем напыления тонких слоёв или намазывания толстых слоёв с последующим спеканием пластин, реже – из монокристаллов. Изменение их электрического сопротивления под действием света происходит благодаря внутреннему фотоэффекту, т.е. благодаря тому, что при поглощении квантов света в полупроводнике появляются дополнительные свободные носители электрического заряда.