Файл: Датчики сигналов в аудиовизуальных системах Физические эффекты в датчиках.ppt
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 23.11.2023
Просмотров: 37
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Датчики сигналов в аудиовизуальных системах
Физические эффекты в датчиках
Физический эффект — это закономерность проявления результатов взаимодействия объектов материального мира, осуществляемого посредством физических полей.
Разнообразие процессов и явлений, которые происходят в природе, обусловлено четырьмя типами взаимодействий:
всемирным тяготением,
электромагнитными взаимодействиями,
ядерными взаимодействиями,
слабыми взаимодействиями.
Воздействие всегда направлено на некоторый материальный объект.
Результаты воздействия – это эффекты, проявляющиеся на объектах, на которые направлены определенные воздействия.
Обобщенная схема физического эффекта
Ci –параметры i-го результата воздействия;
АОСН, А ДОП – параметры основного и дополнительного воздействий;
{b1, b2, bn} – параметры физического объекта;
t – время, характеризующее проявление физического эффекта.
В зависимости от природы результата воздействия физические эффекты могут быть разделены на физические эффекты:
1) электрические;
2) магнитные;
3) тепловые;
4) механические;
5) оптические;
6) химические;
7) радиоактивные;
8) пространственные;
9) временные.
1. ФИЗИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ С ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ РЕЗУЛЬТАТАМИ ВОЗДЕЙСТВИЯ
Тензорезистивный эффект
Тензорезистивный эффект – изменение удельного электрического сопротивления проводниковых и полупроводниковых материалов при их деформации.
При деформации проводниковых материалов происходят деформационные сдвиги в кристаллической решетке, обусловливающие изменения межатомных расстояний и ее колебаний.
При деформации полупроводниковых материалов происходит изменение структуры энергетических зон в кристалле и ширины запрещенной зоны, что приводит к изменению концентрации носителей тока.
Чувствительность материалов к деформации в определенном направлении характеризуется деформационным коэффициентом электрического сопротивления материала αε
Зависимость удельного сопротивления от деформации аппроксимируется полиномом первой степени:
.
Изменение сопротивления проводника можно выразить в виде
А - площадь поперечного сечения
| Материал | Коэффициент тензочувствительности | Удельное электрическое сопротивление ρ. 106, Ом.м | Рабочая температура, К |
| Константан | 2 | 0,44–0,52 | 673 |
| Нихром | 2,1–2,3 | 1,0–1,1 | 1273 |
| Платина | 4,1–6,1 | 0,09–0,11 | 1573 |
| n - Германий | –100 | 80 | - |
| р - Кремний | 135 | 2 | 500 |
| n - Кремний | –135 | 35 | - |
Коэффициенты тензочувствительности
Учитывая связь продольной и поперечной деформации:
(Δb/b) = − (Δl/l), при линейной деформации образца квадратного или круглого сечения получим:
R0 – сопротивление образца при εl = 0
- коэффициент
Для характеристики чувствительности образца материала используется понятие коэффициента тензочувствительности К образца:
На тензорезистивном эффекте основана работа тензорезистивных датчиков, предназначенных для измерения деформации.
Терморезистивный эффект
Терморезистивный эффект – это изменение удельного сопротивления проводниковых, полупроводниковых и диэлектрических материалов под действием температуры.
Изменение удельного сопротивления в проводниках главным образом обусловлено рассеянием электронов на неоднородностях кристаллической решетки, вызванных ее тепловыми колебаниями.
m – масса электрона; VТ – средняя скорость теплового движения электрона внутри металлического проводника; СР – средняя длина свободного пробега электрона.
При увеличении температуры металлического проводника колебания узлов кристаллической решетки усиливаются, что приводит к уменьшению средней длины свободного пробега электронов.
В широком температурном диапазоне для описания зависимости удельного сопротивления от температуры используют полиномиальную зависимость
ρ0 – удельное сопротивление при t = t0; t0 – начальное значение температуры, 0С;
α1, α2,… – степенные температурные коэффициенты электрического сопротивления данного материала.
Для большинства металлов в узком диапазоне температур допустима линейно-кусочная аппроксимация этой зависимости.
0 – удельное сопротивление при t = t0; (обычно t0 = 0 0С);
αρ,t – cредний температурный коэффициент удельного сопротивления в диапазоне температур (t - t0 ).
При изменении температуры полупроводника изменяется концентрация электронов и дырок и их подвижности. Чем выше температура, тем большее число электронов из валентной зоны преодолевает запрещенную зону и попадает в зону проводимости.
Число свободных носителей заряда увеличивается согласно выражению:
W – энергия активации; k – постоянная Больцмана;
Т – температура, К.
Зависимость удельного сопротивления полупроводников от температуры можно представить в виде:
Температурный коэффициент удельного сопротивления полупроводников:
| Материал | Удельное сопротивление, ρ. 106, Ом.м (Т = 20 0С) | Температурный коэффициент удельного сопротивления αρТ, К-1 |
| Медь | 0,0172 | 0,0043 |
| Платина | 0,098 | 0,0039 |
| Никель | 0,068 | 0,0067 |
| Германий | 0,68 | - |
| Кремний | 2000 | - |
Зависимость удельного сопротивления полупроводников от температуры используется для создания терморезистивных датчиков температуры (термисторов).
Магниторезистивный эффект (эффект Гаусса)
Магниторезистивный эффект (эффект Гаусса) – изменение удельного сопротивления полупроводниковых материалов в магнитном поле.
Индий антимонида ( InSb ) - кристаллическое соединение элем индия (In) и сурьмы (Sb).
Используется в инфракрасных детекторах телевизионных камер, инфракрасных системах самонаведения ракет и в инфракрасной астрономии.
где ρ0 – удельное сопротивление при В = 0; А – постоянная.
Или приближенно:
n = (1–2) – в зависимости от величины (μВ).
Эффект Гаусса используется при построении датчиков магнитного поля и магниторезистивных датчиков.
При пропускании через полупроводник электрического тока, направление которого перпендикулярно вектору индукции магнитного поля, сопротивление образца будет возрастать.
Зависимость удельного сопротивления от магнитной индукции определяется выражением:
Эффект Зеебека
Эффект Зеебека – возникновение ЭДС в цепи, состоящей из двух разных проводников (или полупроводников), соединенных концами при различной температуре мест их соединений.
Если концы проводника имеют разные температуры, то от теплого конца к холодному будет передаваться тепловая энергия.
Это приводит к появлению в проводнике электрического поля, обусловленного эффектом Томсона.
Электрическое поле вызывает появление разности потенциалов.
Величина разности потенциалов:
α1 – абсолютный коэффициент Зеебека;
dT – градиент температур.
Это основное уравнение термоэлектрического эффекта.
Термоэлектрические свойства материалов исследуются с помощью термоэлектрического контура, составленного из двух разных проводников или полупроводников
Напряжение Зеебека и образуется тремя составляющими:
1) объемной,
обусловленной возникновением разности потенциалов на концах проводника, имеющих разную температуру;
2) контактной,
обусловленной температурной зависимостью контактной разности потенциалов мест соединения проводников;
3) фононной,
обусловленной увлечением электронов фононами, при перемещении фононов от горячего конца к холодному.
При низких температурах фононная составляющая может быть в десятки и сотни раз больше первых двух.
Фоно́н — квазичастица. Фонон представляет собой квант колебательного движения атомов кристалла.
Напряжение Зеебека можно записать в виде степенного ряда от разности температур:
α1, α2,…, αn – температурно-независимые коэффициенты;
Т0 – заданная температура калибровки.
Для большинства материалов напряжение Зеебека можно вычислить по упрощенной формуле:
В таблице приведены значения коэффициента термоЭДС некоторых материалов по отношению к платине (при 100 0С).
| Материал | Кремний | Железо | Константан | Молибденит |
| ТермоЭДС, мВ | +44 | +1,8 | -3,4 | -69 … -104 |
Эффект Зеебека нашел широкое применения в области измерения температуры, в частности в термоэлектрических преобразователях.
Пьезоэлектрический эффект
Различают прямой и обратный пьезоэлектрический эффект.
Прямой пьезоэлектрический эффект заключается в появлении электрических зарядов разного знака на противоположных гранях кристаллов при их механической деформации (сжатии, растяжении, изгибе, кручении) вследствие поляризации.
Обратный пьезоэффект состоит в том, что приложение к пластине постоянного напряжения вызывает в ней деформацию (при подаче напряжения переменного тока пластина колеблется с частотой тока).
Эффект Холла
Эффект Холла – возникновение электрического поля в проводниках и полупроводниках, помещенных в магнитное поле при протекании по ним электрического тока.
Эффект Холла является результатом действия сил Лоренца на носители заряда в твердом теле.
В продольном направлении пластины через электроды 1 и 2 протекает электрический ток I. Носители заряда будут отклоняться перпендикулярно направлению их движения и вектору индукции магнитного поля.
где V – скорость движения зарядов.
Сила Лоренца, действующая на заряд:
Эффект Холла используется при создании измерительных преобразователей (датчиков Холла), предназначенных для измерения параметров постоянных и переменных магнитных полей, определения положения и перемещения объектов.
ФИЗИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ
С МАГНИТНЫМИ РЕЗУЛЬТАТАМИ ВОЗДЕЙСТВИЯ
К магнитным результатам воздействия относятся: изменения магнитной проницаемости и намагниченности.
Магнитоупругий эффект
Магнитоупругий эффект – это изменение намагниченности ферромагнитного тела при деформации.
Он является термодинамически обратным магнитострикции, и его иногда называют обратным магнитострикционным эффектом.
Магнитострикция - явление, заключающееся в том, что при изменении состояния намагниченности тела его объём и линейные размеры изменяются.
Намагниченность в результате действия магнитоупругого эффекта зависит от вектора намагниченности насыщения
и магнитострикции:
– внутреннее напряжение в материале,
- магнитострикция насыщения.
- вектор намагниченности насыщения,
- напряженность магнитного поля.
Магнитоупругие свойства материала характеризуются также абсолютной или относительной магнитоупругой чувствительностью:
Е – модуль упругости; μ – магнитная проницаемость;
σ – внутреннее напряжение в материале.
Значения магнитоупругой чувствительности для некоторых материалов:
| Материал | Пермаллой (45%Ni+55 % Fe | Трансформаторная сталь | Мягкая сталь |
| Sμ | 9,4 (при Н=0,2А/см) | 8,4 (при Н=2А/м) | 8,1 (при Н=1,5А/м) |
Магнитоупругий эффект используется в магнитоупругих преобразователях (датчиках), которые применяются для измерения давления, силы, смещения и других физических величин.
ФИЗИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ
С ОПТИЧЕСКИМИ РЕЗУЛЬТАТАМИ ВОЗДЕЙСТВИЯ
К оптическим результатам воздействия относятся: интенсивность оптического излучения, коэффициент преломления, угол поворота плоскости поляризации и др.
Фотоупругий эффект
Фотоупругий эффект (фотоупругость) – возникновение оптической анизотропии в первоначально изотропных средах под действием механических напряжений.
Фотоупругий эффект проявляется в виде двойного лучепреломления (раздвоение светового луча на два луча – обыкновенный и необыкновенный лучи), и дихроизма (появление окраски анизотропного поля в белом свете).
Показатели преломления n0 (обыкновенного луча) и nе (необыкновенного луча) вдоль направления ABи перпендикулярно к нему отличаются друг от друга.
Причиной возникновения фотоупругости является зависимость диэлектрической проницаемости вещества от деформации.
Δn = (n0 – ne) = k. F
Δn – величина двойного лучепреломления; F – сила; k – упругооптическая постоянная, зависящая от свойств материала.
Для оценки жесткости и оптической чувствительности материала используется коэффициент качества Кε, который характеризует оптическую чувствительность материалов по деформациям:
Разность Δn показателей преломления n0 обыкновенного и
ne необыкновенного лучей является мерой анизотропии и пропорциональна величине механического напряжения:
Е – модуль упругости,
C - оптический коэффициент напряженности.
Фотоупругий эффект используется для исследования потоков жидкостей, в датчиках перемещения, деформации и др.
Эффект Фарадея
Эффект Фарадея – вращение плоскости поляризации линейно поляризованного света в оптически активных веществах под действием магнитного поля.
Магнитное вращение плоскости поляризации обусловлено возникновением ассиметрии оптических свойств вещества под действием магнитного поля.
Направление вращения плоскости поляризации зависит только от природы вещества и направления магнитного поля.
Угол поворота плоскости поляризации света θ может быть определен из выражения:
где СВ – постоянная Верде; l – длина пути света в веществе; В – магнитная индукция.
Измеряя угол поворота плоскости поляризации света, можно определить индукцию магнитного поля или силу тока.
Магнитооптический преобразователь для измерения тока, который состоит из магнитооптической ячейки Фарадея, расположенной вблизи провода с током:
1 – проводник с током;
2 – ячейка Фарадея.
Для повышения чувствительности в преобразователях на основе эффекта Фарадея используется увеличение длины пути прохождения светового луча в ячейке Фарадея за счет многократного отражения или использование многовитковой ячейки Фарадея из гибкого волоконного световода:
θ = CB μ0 Ix .
Для преобразователя с волоконным световодом зависимость между током и углом поворота плоскости света имеет вид:
1 – проводник с током;
2 – ячейка Фарадея,
3 – отражатель света.
Пример измерителя тока на эффекте Фарадея:
1– источник света; 2 – поляризатор; 3 – измеряемый ток;
4 – ячейка Фарадея; 5 – анализатор; 6 – фотоприемник.
В качестве источника оптического излучения 1 используется лазер, свет от которого через поляризатор 2 направляется к преобразователю Фарадея 4. Свет, пройдя через ячейку 4, анализатор 5, принимается фотоприемником 6.
Выходным сигналом является фототок IФ или выходное напряжение Uвых.
,
RH – сопротивление нагрузки фотоприемника;
SФ – чувствительность фотоприемника;
JВЫХ – интенсивность светового потока на входе (на выходе анализатора JВЫХ) фотоприемника.
J – интенсивность света на входе анализатора; φ – угол между поляризатором и анализатором; θ – угол поворота плоскости поляризации.
Так как угол θ поворота плоскости поляризации зависит от измеряемого тока IХ, создающего магнитное поле, то по значению выходного сигнала фотоприемника (JВЫХ или UВЫХ) можно судить о значении измеряемого тока.
Эффект Керра
Эффект Керра заключается в возникновении двулучепреломления поляризованного света, распространяющегося в диэлектрике, помещенном электрическом поле.
Оптически изотропный диэлектрик может стать оптически анизотропным при внесении его во внешнее однородное электрическое поле (эффект Керра).
Электрическое поле в оптически активном веществе 1 создается с помощью двух электродов 2, на которые подается электрическое напряжение U.
Для монохроматического света, распространяющегося в веществе перпендикулярно вектору напряженности внешнего электрического поля разность хода для обыкновенного и необыкновенного лучей:
k – коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств вещества.
Ячейка Керра
Интенсивность света J на выходе ячейки Керра определяется выражением:
J0 – интенсивность света на входе ячейки;
Сk – коэффициент Керра;
lk – эффективная длина ячейки Керра;
d –расстояние между электродами.
Одной из характеристик веществ, в которых наблюдается эффект Керра, является постоянная Керра:
К = k/n
n – абсолютный показатель преломления вещества в отсутствие внешнего электрического поля.
Электрооптический эффект Керра используется для измерения напряженности электрического поля и напряжения.
Устройство вольтметра на основе эффекта Керра:
1 – лазер; 2 – поляризатор; 3 – оптически активное вещество; 4 – конденсатор; 5 – анализатор; 6 – фотоприемник; 7 – измерительный прибор.
Луч света направлен перпендикулярно вектору напряженности этого поля. После анализатора 5свет попадает в фотоприемник 6, где он преобразуется в электрический сигнал, измеряемый прибором 7.
Эффект Поккельса
Эффект Поккельса заключается в возникновении двухлучепреломления поляризованного света, распространяющегося в диэлектрике, помещенном в электрическом поле.
Линейный электрооптический эффект Поккельса наблюдается в пьезоэлектрических кристаллах, находящихся в электрическом поле.
Электрическое поле в кристалле 1 может быть создано при помощи кольцевых электродов 2, к которым приложено напряжение U.
Интенсивность света J на выходе ячейки Поккельса можно определить из выражения:
Ячейка Поккельса
J0 и J – интенсивность света на входе и выходе ячейки Поккельса;
r63 – электрооптический коэффициент кристалла;
n0 – показатель преломления кристалла в отсутствие электрического поля;
λ – длина волны излучения.
Эффект Поккельса используется в электрооптических вольтметрах и модуляторах света.
Эффект Доплера
Эффект Доплера – изменение частоты колебаний ω или длины волны λ, воспринимаемой наблюдателем, при движении источника колебаний и (или) наблюдателя относительно друг друга.
При движении источника излучения, частота излучения которого f0, неподвижный наблюдатель будет воспринимать частоту f0 измененной:
f0– частота, испускаемая источником излучения;
VИ – скорость источника излучения;
V – скорость распространения волны в среде;
θ – угол между направлением скорости источника и направлением от источника к приемнику.
При движении приемника излучения (наблюдателя) частота изучения f, воспринимаемая приемником (наблюдателем):
При одновременном движении приемника излучения (наблюдателя) и источника излучения частота излучения f, воспринимаемая приемником (наблюдателем):
Эффект Доплера применяется для измерения скорости движения различных объектов, скорости потока жидкости или газа в трубопроводах.
Голографический эффект
Голографический эффект заключается в записи, воспроизведении и преобразовании волновых полей.
В основе эффекта лежат явления дифракции и интерференции волн.
Если на регистрирующую среду (фотопластинку) одновременно направить две волны А1 и А2 , то в результате сложения этих двух когерентных волн получится интерференционная картина.
Проявленная фотопластинка с изображением этой картины названа голограммой.
Распределение интенсивности света описывается выражением:
Голограмма содержит информацию о разности фаз волны А1 (опорная волна) и волны А2 (сигнальная, или предметная волна).
Если голограмму снова осветить опорной волной А1, то получится новая волна с комплексной амплитудой:
Члены, содержащие амплитуду и фазу предметной волны, описывают волну, которая образует трехмерное изображение.
Голография широко используется для бесконтактного измерения геометрических размеров, параметров рельефа различных объектов, контроля их состояния и др.