1. Расскажите о различных проявлениях фотоэффекта: о внешнем, внут­реннем и вентильном фотоэффектах.

2. Что такое спектральная характеристика?

3. Приведите примеры применения фотоэлектричесих датчиков в по­вседневной жизни.

Глава 13 ультразвуковые датчики

§ 13.1. Принцип действия и назначение

Работа ультразвуковых датчиков основана на взаимодействии ульт­развуковых колебаний с измеряемой средой. К ультразвуковым от­носят механические колебания, происходящие с частотой более 20 000 Гц, т. е. выше верхнего предела звуковых колебаний, воспри­нимаемых человеческим ухом. Распространение ультразвуковых ко­лебаний в твердых, жидких и газообразных средах зависит от свойств среды. Например, скорость распространения этих колеба--ний для разных газов находится в пределах от 200 до 1300 м/с, для жидкостей — от 1100 до 2000, для твердых материалов — от 1500 до 8000 м/с. Очень сильно выражена зависимость скорости колебаний в газах от давления.

Различны коэффициенты отражения ультразвуковых волн на границе раздела разных сред, различна и звукопоглощательная спо­собность разных сред. Поэтому в ультразвуковых датчиках инфор­мация о различных неэлектрических величинах получается благода­ря измерению параметров ультразвуковых колебаний: времени их распространения, затухания амплитуды этих колебаний, фазового сдвига этих колебаний.

Ультразвуковые методы измерения относятся к электрическим методам постольку, поскольку возбуждение ультразвуковых колеба­ний и прием этих колебаний выполняются электрическим спосо­бом. Обычно для этого используют пьезоэлементы и магнитострик-ционные преобразователи. В гл. 7 были рассмотрены пьезоэлектри­ческие датчики, преобразующие давление в электрический сигнал. Это прямой пьезоэффект. Он используется в приемниках ультразву­кового излучения. Обратный пьезоэлектрический эффект заключа­ется в сжатии и растяжении пьезокристалла, к которому приложено переменное напряжение. Для возбуждения ультразвуковых колеба­ний и используется этот эффект. Таким образом, пьезоэлемент мо­жет использоваться попеременно то излучателем, то приемником ультразвуковых колебаний.

Магнитострикционные излучатели ультразвука используют яв­ление деформации ферромагнитов в пе­ременном магнитном поле.

Поясним работу ультразвукового датчика на примере эхолота — прибора для измерения глубины моря (рис. 13.1). При подаче переменного напряжения на пьезоэлемент 1 возбуждаются ультра­звуковые колебания, направленные вер­тикально вниз. Отраженный ультразву­ковой импульс воспринимается пьезоэ-лементом 2. Электрический прибор 3 измеряет время t между посылаемым и принимаемым импульсами. Глубина моря пропорциональна этому времени и скорости распространения звука v в воде:

H = vt/2. (13.1)

Шкала прибора градуируется непо­средственно в метрах. Аналогично дей­ствует ультразвуковой локатор, опреде-

ляющий расстояние до препятствия на пути корабля в горизонталь­ном направлении. Некоторые животные (например, летучие мыши и дельфины) имеют органы ориентировки, действующие по прин­ципу ультразвукового локатора.

Ультразвуковые колебания имеют энергию значительно боль­шую, чем звуковые, поскольку энергия пропорциональна квадрату частоты. Кроме того, сравнительно просто осуществляется направ­ленное излучение ультразвука.

С помощью ультразвуковых датчиков обнаруживают дефекты в металлических деталях: трещины в изделиях, полости в отливках и т. д. Ультразвуковые датчики играют важную роль в дефектоскопии, в неразрушающих методах контроля. Кроме того, ультразвуковые датчики используются в приборах для измерения расхода, уровня, давления.