Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет»

Кафедра «Приборы и методы контроля качества»

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ

Курс лекций

Ижевск 2011

Ломаев Г.В, Каримова Г.В., Водеников С.К.

Физические основы получения информации: Курс лекций / Под ред. проф. Ломаева Г.В. – Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2011 – 190 с.

Оглавление

1 Часть. Электромагнитные преобразователи информации 4

Лекция №1.Определения магнитных величин. Эталоны. 4

Лекция № 2. Классификация электромагнитных 9

измерительных преобразователей 9

Лекция №3. Индукционные измерительные преобразователи 20

Лекция №4. Индукционные измерительные преобразователи (продолжение) 22

Лекция №5. Магнитомодуляционные измерительные преобразователи 28

Лекция №6. Феррозонд на основе магнитного компаратора 37

Лекция №7. Макроквантовые измерительные преобразователи 39

Лекция № 8. Вихретоковые индуктивные преобразователи 45

Лекция №9. Индуктивные измерительные преобразователи 50

Лекция №10. Трансформаторные измерительные преобразователи 54

Лекция №11. Магнитоупругие измерительные преобразователи 61

Лекция №12. Микроквантовые измерительные преобразователи на основе ядерно-магнитного резонанса 66

Лекция №13. Гальваномагнитные преобразователи, основанные на эффекте Холла 69

Лекция № 14. Магниторезистивные и гальваномагниторекомбинационные преобразователи 74

2 ЧАСТЬ. ЛЕКЦИИ ПО ФОПИ. 79

Лекция 1. Резистивные преобразователи 79

Лекция 2. Тензодатчики 87

Лекция 3. Измерительные цепи тензорезисторов 96

Лекция 4. Пьезоэлектрические преобразователи 101

Лекция 5. Пьезоэлектрические преобразователи силы, давления и ускорения 107

Лекция 6. Пьезорезонансные преобразователи 114

Лекция 7. Измерительные преобразователи, Основанные на использовании Поверхностных акустических волн 120

Лекция 8. Электростатические преобразователи 123

Лекция 9. Емкостные преобразователи 132

Лекция 10. Измерительные цепи емкостных преобразователей 135

Лекция 1. Тепловые преобразователи 141

Лекция 2. Термоэлектрические преобразователи, их принцип действия и применяемые материалы 149

Лекция 3. Терморезисторы, основы их расчета и применяемые материалы 153

Лекция 4. Разновидности термочувствительных элементов и их применение 161

Лекция 5. Оптоэлектрические преобразователи 165

Лекция 6. Источники излучения. Каналы передачи световой энергии в оптических ип 175

Лекция 7. Приемники излучения 178

Лекция 8. Основные структурные схемы оптоэлектрических преобразователей и приборов 190

1 Часть. Электромагнитные преобразователи информации Лекция №1.Определения магнитных величин. Эталоны. Параметры магнитного поля

n/n	Наименова-ние	Обоз-наче-ние	Размер-ность	Единицы измерения		Коэффициент перевода, едСГМС / едСИ	Определение величины
				СИ	СГСМ
1	Магнитный поток	Ф		Вб	Mкс см1/2* г1/2 Максвелл	10-8	S-площадь поверхности
2	Напряжен-ность магнитного поля	H			Эр см-1/2* г1/2*с-1 Эрстед
3	Магнитная индукция	В		Тл	см-3/2* г1/2 Гс	10-4
4	Магнитный момент	Mm			см3/2* г1/2	10-3	, r – радиус-вектор контура dl
5	Намагничен-ность	I			см-3/2* г1/2	103	Mm/V, V – объем тела
6	Индуктив-ность	L		Гн	см	10-9	Ф/J, J-ток
7	Взаимная индуктив-ность	М12		Гн	см	10-9
8	Магнитная постоянная	μ0			-	4π*10-7	4π*10-7
9	Магнито-движущая сила	F	А	А	гб см1/2* г1/2*с-1 гильберт		qvBsinα, v – скорость заряда q, α – угол м/у v и B
10	Магнитное сопротивле-ние	Rm			см-1		1/L
11	Электро-магнитная энергия	W		Дж	Эр	10-7	ФJ/2

Средства магнитных измерений

Все средства измерений делятся на рабочие, образцовые и эталонные.

Существует три первичных эталона:

• магнитная индукция (напряженность магнитного поля),

• магнитный поток,

• магнитный момент.

Первичным эталоном единицы магнитного потока является катушка взаимной индуктивности по Кемпбеллу. На кварцевый пустотелый цилиндрический каркас навита однослойная первичная обмотка, состоящая из двух половин, симметрично расположенных относительно центрального сечения (Рис. 1.1). Постоянная эталона при токе в первичной обмотке, равном 1А, установлена расчетным путем – по измеренным геометрическим размерам катушки и числом витков обмоток с погрешностью 0,001%.

Рис.1.1

Мера магнитного потока представляет собой катушку с двумя электрически несвязанными обмотками подобно катушке взаимной индуктивности. При прохождении по первичной обмотке постоянного тока I появляется магнитный поток.

(1.1)

Каркас катушки делается из изолирующего материала – кварца, т.к. он имеет малый температурный коэффициент расширения.

Эталон единицы магнитной индукции представляет собой катушку Гельмгольца с однослойной обмоткой из голой медной проволоки, навитой на цилиндрический пустотелый кварцевый каркас (реже соленоид).

Катушки Гельмгольца используются для получения практически однородного магнитного поля. В идеальном случае они представляют собой два одинаковых кольцевых витка, соединенных между собой последовательно и расположенных на расстоянии радиуса витка друг от друга. Обычно катушки Гельмгольца состоят из двух или нескольких катушек, на которых намотано некоторое количество витков, причем толщина катушки должна быть много меньше их радиуса. В реальных системах толщина катушек может быть сравнима с их радиусом. Таким образом, можно считать системой колец Гельмгольца две сооснорасположенных одинаковых катушки, расстояние между центрами которых приблизительно равно их среднему радиусу. В центре системы имеется зона однородного магнитного поля, что может быть использовано для измерительных целей, для калибровки датчиков магнитной индукции и т. д.

В пространстве между катушками однородность поля может быть не хуже 0,5 %. Их широко применяют в лабораторной практике для создания небольших (примерно до 0,3 Тл) однородных полей (рис.1.2).

Рис. 1.2. Расположение двух витков с током и создаваемое ими магнитное поле:

пунктирные линии B(x) – поле каждого витка в отдельности; сплошная линия B(x) –

результирующее поле.

Катушки Гельмгольца могут быть круглой и квадратной формы.

• Катушки Гельмгольца круглой формы (Рис.1.3)

Индукция магнитного поля в центре катушек Гельмгольца может быть вычислена по формуле

(1.2)

где N – общее число витков обеих катушек, I – сила тока, текущего в катушках, R –средний радиус катушек.

Рис.1.3 Катушки Гельмгольца круглой формы

• Квадратная катушка Гельмгольца (Рис.1.4)

Рис.1.4 Катушка Гельмгольца квадратной формы

Значение напряженности магнитного поля в центре квадратных катушек Гельмгольца в А/м вычисляют по формуле:

(1.3)

где:

Δ = 2d - 0,5445 x 2a - параметр неточности изготовления катушки;

J - ток в катушках, А;

2a - сторона квадрата, м;

2d - расстояние между секциями, м;

W - число витков в одной секции.

Магнитное поле, создаваемое системой катушек Гельмгольца, позволяет получить постоянное и переменное магнитное поле с достаточно высокой степенью однородности.

На практике система катушек представляет собой четыре пары взаимно параллельных катушек (по одной паре по осям х, у и две пары по оси z). Каркасы катушек изготовлены из немагнитного материала - алюминия Д6 ГОСТ 4784 - 65, толщиной листа- 1,5 мм. Каркасы изготовлены из отдельных балок шириной 100 мм и высотой 15 мм. Балки соединены методом аргонной сварки. Спаянный каркас представляет собой квадратную катушку размером 390 × 390 × 390 мм. Внутренние углы каркаса равны 90°.

В качестве обмотки на каркас используется провод диаметром 0,355 мм, марка провода — ПЭТ-155 ТУ 16-К.71.160-92. Выбор диаметра обмотки обусловлен предварительным моделированием параметров катушки Гельмгольца, a также, созданием магнитного поля, компенсирующего магнитное поле Земли. Способ намотки однослойный, количество намотанных витков, размещенных на всю ширину рамки, n = 100. Внутренняя поверхность каркаса покрыта лаком ПФ - 238 (ГОСТ 9825 - 61) по третьему классу.

Система катушек в сборе представляет из себя куб объёмом 0,06 м³. Данный объём необходим для получения однородного магнитного поля и проведения исследований.