авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |

«УДК 002.52/.54(075.8) ББК 32.973.202я73 МИНОБРНАУКИ РОССИИ ...»

-- [ Страница 3 ] --

Для получения максимального коэффициента полезного действия следует в качестве нагрузки включить сопротивление, равное характеристическому сопротивлению, которое принимается равным среднему геометрическому входных сопротивлений холостого хода и короткого замыкания:

R1 ( R1 R2 + ( S 0 B ) RC = R1K 3 R1 XX = R При отсутствии магнитного поля отношение выходной мощности ко входной называют коэффициентом использования преобразователя.

В табл. 20 приведены оценочные значения коэффициентов использования датчиков Холла, изготовленных из ряда достаточно чистых полупроводниковых материалов при B = 0,1 Тл и в условиях согласования выходного сопротивления датчика и нагрузки.

Как видно из табл. 20, расчетные коэффициенты использования датчиков Холла очень невелики. На практике они оказываются еще меньше, особенно в случае больших значений индукции магнитного поля.

Для того чтобы получить максимальную выходную мощность ПХ, можно увеличить входную мощность, однако для каждого датчика существует верхний предел, который опре деляется максимально допустимой рабочей температурой. В стационарном режиме выделяе мая и рассеиваемая в преобразователе мощность равна l I 12max = 2bl t, bd где – коэффициент теплоотдачи;

t – разность между максимально допустимой тем пературой датчика и температурой окружающей среды.

Таблица Коэффициент использования преобразователей Холла ln As 0.6 ln As 0. Cd 3 As HgSe HgTe Ge Si ln Sb ln As Материал: P0.4 P0. % 0,011 0,0012 1,50 0,375 0,044 0,11 0,0135 0,033 0, Если пренебречь площадью боковых граней датчика максимально допустимое дейст вующее значение тока через преобразователь будет равно 2 dt I 1 max = b.

Из этого выражения следует, что увеличение максимально допустимого тока, а, следо вательно, и входной мощности при неизменной температуре возможно при увеличении ин тенсивности теплообмена между датчиком и окружающей средой.

Теплоотдачу можно увеличить, если преобразователь привести в тепловой контакт с телом большой площади и с хорошей теплопроводностью, например, с магнитопроводом ка тушки, создающей магнитное поле. Таким образом, удается повысить максимальную мощ ность рассеяния в 10…20 раз. Соответственно увеличиваются максимально допустимый ток и максимальное значение э. д. с. Холла, которая при заданной индукции магнитного поля оп ределяется выражением 2 t I 1 max B Э H max = R H = R H Bb.

d d Преобразователь Холла может работать как в режиме заданного входного напряжения, так и в режиме заданного тока, причем выражения для э.д.с. Холла в обоих случаях отлича ются. Режим заданного тока во многих случаях является предпочтительным, поскольку при этом на значение тока I не влияют изменения входного сопротивления RВХ датчика во вре мени и при изменении температуры внешней среды. Нетрудно показать, что в этом режиме уравнение преобразования запишется в следующем виде:

R1 R2 ( Э H R2 /( R2 + R H ) + S 0 BI 1 ) U2 =.

R1 R2 + 2( S 0 B ) В режиме холостого хода S 0 I 1 BR1 R U 2 xx =. (38) R1 R2 + 2( S 0 B ) Абсолютную погрешность преобразования можно определить как разность действи тельного значения напряжения U 2, определенного из (38) и его номинальным значением U 2 H = S ОН I 1 B, где S OH – номинальное значение удельной чувствительности.

В первом приближении значение мультипликативной составляющей этой погрешности может быть определено путем определения полного приращения U 2 в зависимости от изме нения нагрузки и параметров датчика.

Членом 2 ( S 0 B ) 2 в выражении (38) можно пренебречь в слабых и средних магнитных полях.

Кроме рассмотренных параметров ( S 0, S H, K u K i,, 0, RВХ, RВЫХ ), определяющих качество ПХ как составной части цепи измерения или контроля, существенными параметра ми являются напряжение неэквипотенциальности U НЭ, называемое остаточным напряжени ем и коэффициент выпрямления. Напряжение неэквипотенциальности, возникающее на хол ловских выводах при отсутствии магнитной индукции из-за несимметрии датчика и электро дов, может быть скомпенсировано известными способами. Схемные реализации некоторых из них приведены на рис. 25. Значиельно сложнее скомпенсировать температурные измене ния U НЭ, что обусловливает появление аддитивной составляющей погрешности. Уменьше ние этой составляющей достигается либо термостатированием датчика, либо структурными методами.

Отметим, однако, что эти методы не всегда применимы, особенно если датчики Холла используются в каких-либо подвижных конструкциях.

Напряжение неэквипотенциальности можно определить, зная коэффициент неэквипо тенциальности, предельное значение которого приводится в технической документации на большинство типов ПХ, выпускаемых серийно промышленностью. Коэффициент неэквипо тенциальности определяется как отношением напряжения неэквипотенциальности к вызы вающему его входному току.

Под коэффициентом выпрямления понимают отношение максимального значения э.д.с.

Холла к выпрямленному холловскими контактами напряжению при определенных значениях индукции. Для уменьшения влияния выпрямляющих эффектов применяют соответствующие схемы компенсации.

Основные параметры некоторых типов преобразователей Холла, обладающие хороши ми метрологическими характеристиками, приведены в табл. 21.

а) б) в) Рис.25. Схема компенсации напряжения ниэквипотенциальности Применение преобразователей Холла в измерительных устройствах. Одним из применений ПХ является использование их для измерения индукции магнитных полей. Если преобразователь Холла, входящий в состав датчика, питается заданным постоянным током, то при измерении индукции переменного магнитного поля B(t ) = Bm sin t, э.д.с. Холла рав на RH IBm sin t + K HH cos t + U НЭ ЭH 1 = d а при питании ПХ в режиме заданного напряжения l nUBm sin t + K HH cos t + U НЭ, Э НН = b где K HU – коэффициент, характеризующий индукционную наводку на холловских вы водах ПХ.

Принципиально порог чувствительности преобразования магнитной индукции пере менных полей определяется шумами ПХ и измерительного усилителя, который при микро электронном исполнении также может входить в состав датчика. Поскольку уровень шумов преобразователей из антимонида индия, обладающих наименьшей зависимостью характери стик от температуры, составляет (10–8...10–9) В, то это ограничивает порог чувствительности по индукции на уровне 3 10 7 Тл при чувствительности ПХ 30 мкВ/мТл. Однако на практике порог чувствительности имеет гораздо большее значение из-за индукционных наводок в вы ходной цепи преобразователя и построенного на его основе датчика в целом.

Таблица Основные параметры некоторых типов ПХ Сопротив- Мак Коэф- Темпе ление, Ом си Тип Номи- фици- ратур Размеры маль пре- нальное Удельная ент ный ко актив- Рабочий ное об- значе- чувстви- неэк- эффици Вх Вы ной час Матери- диапазон зна ра- ние тель- випо- ент чув ти пре- темпера ал од- ход чение зова входно- ность, тенци- стви тур, оС обра- ин ное ное ния го тока, В/А. Тл ально- тельно зования дук мА сти, сти, ции, %/оС В/А Тл Арсенид, – 0,8 0;

Х 2,5 · фосфид. 110 0,7 7 0,6...1,0 0,02 200…+18 10– 500 5 0, индия Х Герма- 840,2 1,5 · – 50 18 30 8…12 0,3 10– 114 ний 5 100…+ ДХ Герма- 630, С– 24 40 90 9 0,2 0,03 –60…+60 3… ний ДХ 1260, – К– Кремний 20 500 1000 45 0,8 0,08 2 160…+ 7С Х Арсенид 0,80,5 2,5 · – 130 0,5 5 0,6…1,3 0,08 10– 200 индия 0,1 120…+ ПХ Антимо 10- Э- нид ин- 330,8 100 – 0,8 0,3 0,005 – 602 дия Известные способы уменьшения сигнала наводки состоят в уменьшении площади кон тура, образованного выходным электродом и пластиной Холла. Для этого выводы холлов ских электродов за пределами пластины скручивают между собой. Этот способ не позволяет полностью устранить наведенную э.д.с, так как площадь петли не может быть уменьшена до нуля. Остаточная площадь составляет около 0,05 см2, что при индукции в 1 Тл на частоте Гц соответствует 1 мВ наведенной э.д.с. Кроме того, этот способ предполагает расположение одного из электродов Холла над или под пластиной, что увеличивает толщину датчика.

Погрешность преобразования индукции переменных полей в пределах от 10 мТл до 1, Тл может составлять от 1% до 2,5%. При преобразовании индукции постоянных полей на водка отсутствует ( K HH = 0) и погрешность обусловлена в основном температурными изме нениями S 0 и U НЭ.

Преобразователь Холла применяется для безконтактного измерения токов, причем воз можны различные варианты построения интегрирующего контура датчика, внутри которого расположена шина с измеряемым током. Этот контур можно построить либо из определен ного числа ПХ, включенных последовательно или параллельно, либо в виде сплошного или разъемного кольца, снабженного круговыми замкнутыми и холловскими электродами. Вто рой способ построения интегрирующего контура дает возможность устранить методическую погрешность, обусловленную ограниченным числом элементов контура. К сожалению, прак тическое изготовление такого интегрирующего контура сопряжено со значительными техно логическими трудностями.

Кроме этих методов, ток можно измерять путем преобразования его в индукцию маг нитного поля, используя при этом электромагнитный преобразователь. Этот преобразователь состоит из ферромагнитного сердечника, на котором расположена катушка с измеряемым током. Сердечник содержит воздушный зазор, в котором расположен ДХ, через который протекает то I. По аналогичной схеме построены также перемножающие устройства и пре образователи мгновенной мощности.

Особое внимание при построении таких устройств следует уделять вопросам расчета магнитной системы, наличие которой обусловливает появление амплитудных и угловых по грешностей. Амплитудные погрешности имеют мультипликативную составляющую, обу словленную изменением ее параметров магнитной системы (например, магнитной прони цаемости во времени и температуре), а также нелинейную составляющую, обусловленную нелинейной зависимостью магнитной проницаемости от индукции магнитного поля.

Кроме этих составляющих погрешности наличие магнитной системы обусловливает сдвиг фазы индукции в зазоре относительно электрической величины, которая вызывает эту индукцию. Даже при преобразовании в магнитную индукцию электрического тока, превали рующей является фазовая погрешность, причем угол сдвига можно определить по формуле (35) tg = arctg, 1 + / k tg + где – угол потерь в магнитном материале, тангенс которого равен отношению удельных потерь Р к удельной намагничивающей мощности Q ;

– относительная магнитная прони цаемость;

k – отношение длины l средней линии магнитного потока в ферромагнитном сер дечнике к ширине воздушного зазора.

При рациональном выборе конструктивных и электрических параметров магнитной системы и ПХ перемножителя может быть достигнута весьма высокая точность перемноже ния в диапазоне звуковых частот. Это подтверждает опыт создания модульных перемножи телей на эффекте Холла с приведенной погрешностью 0,5 % фирмой «Electrical Transducers»

США. Эти перемножители могут использоваться для бесконтактного преобразования тока, а также мощности. Дальнейшего повышения точности перемножающих устройств, являющих ся основными блоками преобразователей тока, мощности, анализаторов спектра и других средств измерения можно добиться применением структурных методов. Одной из первых разработок с применением структурных методов, в частности, метода отрицательной обра ботки связи в перемножителях на основе эффекта Холла, упрощенная структурная схема ко торого приведена на рис. 26. В перемножителе применены два идентичных преобразователя Холла ПХ1 и ПХ2, которые вместе с дифференциальным усилителем УС могут выполняться в виде интегральной схемы. Эти преобразователи размещены в зазоре электромагнитного преобразователя ЭМ.

Рис. 26. Замкнутая схема перемножителя на ПХ Выходная э. д. с. ПХ ЭН 1 = S1 BI X, где S 1 – удельная чувствительность ПХ1.

На выходе ПХ2 под воздействием индукции B при протекании через него стабильного тока I 0 возникает э. д. с.

Э Н 2 = S 2 BI 0.

Поскольку индукция воздушного зазора B создается выходным током I М усилителя, то ее значение В = K M I M ( K M – коэффициент преобразования электромагнита). Ток I M, питаю щий обмотку электромагнита, создается разностью напряжений U X и ЭН 2, усиленной в ко эффициент усиления K УС усилителя. Тогда индукция зазора U X Эн B = K M K УС, ZМ где Z M – импеданс катушки электромагнита. Подставив в последнее выражение значе ние ЭН 2 и решив уравнение относительно В, получим K M K усU X / Z M B= 1 + K M K УС S 2 I 0 / Z M UX При K УС получим выражение для индукции в зазоре B =, подставив которое в S2 I выражение для выходной э. д. с. окончательно имеем S1 U X I X (39) Эн1 = S2 I Как видно из (39), при одинаковых изменениях S1 и S 2 погрешность, обусловленная ими, может быть существенно уменьшена. Мультипликативная и нелинейная составляющие амплитудной погрешности уменьшаются в (1 + K УС K M I 0 S 2 / Z M ) раз.

Аналогично строятся схемы с коррекцией погрешностей, содержащие дополнительную обмотку, в которую вводится усиленный сигнал поправки, то есть сигнал разности между U X и ЭН 2.

Важной областью использования ПХ являются измерения неэлектрических величин, в первую очередь механических, и параметров механических колебаний. В датчиках подобно го типа используется относительное перемещение преобразователя Холла и источника маг нитного потока.

Преобразователи Холла очень часто используются для, бесконтактных преобразований угловых и линейных перемещений в электрический сигнал. В частности, для измерения угла поворота или углового перемещения используется датчик с двумя ПХ, представленный на рис. 27, а. Преобразователи Холла этой конструкции неподвижны, а вращающаяся часть дат чика представляет собой намагниченный в радиальном направлении вал N - S, соединенный с вращающимся объектом. Если вал повернется на угол, то в неподвижных датчиках ПХ1 и ПХ2 индуцируются э.д.с. ЭН 1 = ЭН sin и ЭН 2 = ЭН cos, ПХ1 и ПХ2 установлены ради ально в зазорах наружного магнитного ярма датчика и смещены относительно друг друга на угол 90 град. Схема включения преобразователей показана на рис. 27, б. Остальные два зазо ра сделаны для устранения асимметрии магнитной цепи датчика. В них согласно могут по мещаться на одной оси еще два ПХ. Причем ПХ расположены на одной оси, соединяются попарно параллельно относительно токовых зажимов и последовательно по холловским вы водам. Такие преобразователи с наружным диаметром 1...3 см могут обеспечить погреш ность преобразования в несколько десятых процента;

отсчет угла может производиться с аб солютной погрешностью до 0,1 град.

а) б) Рис. 27. Конструкция (а) и схема включения ПХ (б) преобразователя углового перемещения Принцип преобразования линейных перемещений очень прост. Если преобразователь Холла перемещается в неоднородном магнитном поле, то напряжение Холла будет зависеть от значения перемещения. Следовательно, проблема заключается в разработке таких магнит ных систем, для которых эта зависимость будет линейной. Такой является магнитная система датчика, изображенная на рис. 28, где обозначены: 1 – преобразователь Холла, 2 – наружные магнитные ярма постоянных магнитов 3 и 4. Перемещенные ПХ, через который в продоль ном направлении протекает стабильный ток, осуществляется в направлении оси X. Погреш ность таких датчиков перемещения порядка ± (1…2 мм) может быть менее 1,5 %. Входная э.д.с. ПХ датчиков перемещений зависит от параметров самого преобразователя и значения индукции магнитного поля, создаваемого магнитом. На основе подобных принципов строят измерители вибраций, акселерометры, сейсмографы и т. п. средства измерений механических величин.

Кроме того, преобразователи Холла применяются в преобразователях давления. В этом случае ПХ, помещенный в магнитное поле с большим градиентом, механически соединяется с элементом, изменяющим его положение под влиянием давления.

Рис. 28. Конструкция преобразователя линейного перемещения Магниторезисторы Используемые материалы и конструкции магниторезисторов. Так как напряжен ность холловского электрического поля снижает магниторезистивный эффект, то конструк ция магниторезистора должна быть такой, чтобы уменьшить или полностью устранить эф фект Холла. Максимальный магниторезистивный эффект наблюдается в неограниченном по лупроводнике в направлении, перпендикулярном току.

Наилучшим приближением к неограниченному по ширине образцу является диск Кор бино (рис. 29, а). При отсутствии магнитного поля ток в таком образце проходит в радиаль ном направлении от центра диска ко второму электроду, расположенному по периметру дис ка или наоборот. Отклонение носителей заряда под действием магнитного поля происходит в направлении, перпендикулярном радиусу, а поскольку не существует граней, на которых может происходить накопление зарядов, то разделение носителей заряда и образование элек трического поля Холла в таком образце не происходит. Другой конструкцией магниторези стора (хотя и с меньшим проявлением эффекта магнитосопротивления, чем в диске Корбино) является пластинка полупроводника, ширина которой намного больше ее длины (рис. 29, б).

Эти две структуры обладают наибольшим относительным изменением сопротивления в магнитном поле (рис. 30).

Недостатком магниторезисторов такой формы является малое абсолютное значение со противления, что обусловлено не только геометрической формой, но и свойствами матери алов, из которых изготавливаются магниторезисторы. Для магниторезисторов применяются полупроводники с высокой подвижностью носителей тока, в том числе, анимонид индия, ар сенид индия, эвтектические сплавы антимонида индия и антимонида никеля, теллурид и се ленид ртути, их твердые растворы и другие полупроводниковые соединения с малой шири ной запрещенной зоны и высокой удельной проводимостью.

Для увеличения начального сопротивления (при B = 0) применяют последовательное соединение нескольких магниторезисторов. Вместо последовательного соединения магнито резисторов используется одна длинная полупроводниковая пластинка, на поверхность кото рой нанесены металлические полоски (рис. 29, в), делящие пластину на области, длина кото рых меньше их ширины. Каждая часть пластины между двумя металлическими полосами представляет собой отдельный магниторезистор.

Несмотря на то, что в магниторезисторах прямоугольной формы магниторезистивный эффект проявляется слабее, чем в диске Корбино, они обладают существенными преимуще ствами. В частности, зависимость Rb = f (B) носит квадратичный характер только в слабых магнитных нолях и практически линейная в полях, начиная с 0,3...0,4 Тл (рис. 30).

Электрическое сопротивление магниторезисторов в форме прямоугольников тоже не велико и в зависимости от конструкции и использованного материала может колебаться от единиц до нескольких десятков Ом. Кроме приведенного выше способа увеличения сопро тивления магниторезисторов путем их последовательного соединения, можно соответст вующим образом подобрать форму образца. Например, придать магниторезистору форму меандра (рис. 29, г), где 1 – изоляционная подложка, 2 – полупроводниковая полоска.

а) б) в) г) Рис. 29. Конструкция магниторезисторов Рис. 30. Зависимость приращения удельного сопротивления от магнитной индукции при раз ных формах МР Основные характеристики магниторезисторов. Основными характеристиками маг ниторезисторов являются: электрическое сопротивление R0 при отсутствии магнитного по ля, функция преобразования (зависимость сопротивления, от значения магнитной индукции), коэффициент относительного изменения сопротивления, допустимое значение тока через магниторезистор, а также температурный коэффициент сопротивления.

Основной характеристикой магниторезисторов является зависимость RB = f (B). В об ласти малых значений магнитной индукции эта зависимость носит квадратичный характер, а при повышении в зависимость сопротивления магниторезистора от значения индукции маг нитного поля становится линейной.

Как и для других полупроводниковых датчиков, для магниторезисторов характерна значительная зависимость сопротивления от температуры. Температурные коэффициенты сопротивления (ТКС) существующих магниторезисторов равны: для ln Sb – 1,2 %/°С;

для ZnAS – 0,2 %/°С. Для эвтектического сплава ( ln Sb с WiSb ), легированного теллуром, ТКС может быть уменьшен до 0,02...0,05 %/°С.

Магниторезисторы имеют заметную частотную зависимость, которая, в свою очередь, зависит от формы магниторезистора. В частности, для диска Корбино частотная зависимость практически не проявляется, а для магниторезисторов прямоугольной формы при изменении частоты от 0 до 10 МГц отношение RB / R0 уменьшается примерно на 7... 10 %.

Важным параметром магниторезисторов является допустимое значение тока через маг ниторезистор ( I ДОП ), которое ограничено допустимым перегревом прибора. В технической документации на магниторезисторы обычно задают допустимое значение тока через магни торезистор I ДОП при B = 0. Значение допустимого тока при любом B в пределах рабочего диапазона может быть определено по формуле I ДОП = I 0 ДОП 1 /[1 + B], где ( / 0 ) B – относительное изменение удельного сопротивления магниторезистора для данной индукции.

Таблица Параметры некоторых магниторезисторов, Pmax, Rb / R0 при Изготови- R0 [Ом] Тип Материал о тель %/ С B = 1 Тл [Вт] СКБ ФТИ InSb 0,5…200 10… (АН Россия) InSb 0,5…200 2…3 0,5…1,0 0, MS– InSb 1 10 0,08 0, Ohio (Япо InSb 10 6… ния) –0, Siemens М–15 NiSb 100 7…9 0, –0,16…–0. (ФРГ) –0,12…–0, M–10 То же InSb 500 13… –1,8…–2, Области применения и схемы включения магниторезисторов. Магниторезисторы, как и преобразователи Холла, могут непосредственно применяться для измерительного пре образования индукции магнитного поля в напряжение. Поскольку магниторезистор (MP) яв ляется пассивным преобразовательным элементом, то его необходимо включать в электриче скую цепь, обеспечивающую протекание через него электрического тока. Наиболее часто магниторезисторы включают в мостовые цепи. При этом питание мостовой схемы может осуществляться в режиме заданного тока, заданного напряжения или заданной мощности. От вида заданного режима работы мостовой схемы зависит характер ее функции преобразова ния, т. е. зависимость U ВЫХ = f (U ВХ, RВХ ) и чувствительность схемы. При питании моста от источника напряжения и включении в одном из плеч MP (или двух MP в противоположных плечах) зависимость выходного тока (напряжения) от относительного приращения сопро тивления R является монотонно убывающей функцией, имеющей положительный знак пер вой и отрицательной – второй производной. Поскольку зависимость R от B аппроксимиру ется монотонно возрастающей функцией с положительной второй производной, возможна некоторая взаимная компенсация нелинейности общей функции преобразования индукции в выходное напряжение моста. Анализ чувствительности мостовой схемы при ее питании от источника тока показал, что по сравнению с датчиком Холла чувствительность мостовых схем с MP больше при полях с индукцией B 0,2 Тл, поэтому для преобразования индукции сильных магнитных полей предпочтение следует отдать магниторезистору.

Однако в области слабых полей чувствительность MP (изменение его сопротивления при изменении индукции) резко падает. Квадратичная зависимость относительного изме нения сопротивления от магнитной индукции обусловливает наличие в электрической цепи постоянной составляющей, пропорциональной квадрату действующего значения индукции.

Эта особенность используется при создании схем сравнения индукций переменного и посто янного магнитного поля. Упрощенная структурная схема преобразователя переменной маг нитной индукции в ток с уравновешивающим преобразованием изображена на рис. 31, где обозначены: I 0 – источник стабильного тока, питающего основной RM 1 и компенсационный RM 2 магниторезисторы;

ФНЧ – фильтр нижних частот;

ДУ – дифференциальный усилитель;

ЭМ – электромагнит;

ИТ – измеритель тока. Разность постоянной составляющей напряже ния, пропорционального квадрату индукции B X (t ), которое снимается с резистора RM 1, и постоянного напряжения, пропорционального B02, снимаемого с RM 2, преобразуется в ток цепи обратной связи I 0 X, который посредством электромагнита ЭМ возбуждает индукцию B0. При равенстве RM 1 = RM 2 значение тока I 0 X пропорционально действующему значению индукции B X (t ).

Рис. 31. Схема уравновешивающего преобразователя индукции слабых полей Для повышения чувствительности в области слабых полей применяют вспомогательное поле подмагничивания. Однако при этом возникают искажения измеряемого поля вспомога тельным.

Подобные схемы преобразования индукции переменных магнитных полей имеют при веденную погрешность 2,5 % при пределах изменения индукции 0,2...0,5 Тл и частотном диапазоне 40...20000 Гц.

При подмагничивании постоянным магнитным полем в слабых магнитных полях мож но линеаризовать общую функцию преобразования индукции в приращение магнитосопро тивления, если использовать два магниторезистора, один из которых находится в магнитном поле с индукцией ( B0 + B X ), а второй с индукцией ( B0 B X ). При преобразовании разности относительных приращений RM 1 и RM 2 получим:

RM 1 RМ 2 = K M ( B0 + B K ) 2 K M ( B0 B K ) 2 = 4 K M B0 B X, где K M – магниторезистивная постоянная, которая должна быть одинаковой для обоих магниторезисторов.

Подобный принцип положен в основу реализации перемножающего устройства с по грешностью 0,2 % при частотном диапазоне входных сигналов до 10 кГц. Нелинейность пе ремножения не более 0,1 %, температурная погрешность 0,01 %/° С, частотный диапазон до 1 МГц. Перемножители на магниторезисторах имеют ряд преимуществ перед перемножите лями на преобразователях Холла: 1) простота конструкции (только два электрода);

2) не тре буют компенсации неэквипотенциальности (правда, зачастую необходимо создавать началь ное магнитное поле);

3) имеют большую выходную мощность и т. п. В слабых магнитных полях (до 0,3...0,5 Тл) магниторезисторы могут служить основными элементами удвоителей частоты. Их можно использовать также для построения смесителей частот, модуляторов, анализаторов спектра, усилителей, генераторов, функциональных преобразователей и т. п.

Магнитодиоды и магнтотранзисторы Принцип действия и материалы, используемые для изготовления магнитодиодов.

Существует также ряд других эффектов, проявляющихся в воздействии магнитного поля на концентрацию носителей. К ним относятся магнитоконцентрационный эффект, фотомагнит ный эффект и магнитодиодный эффект. Эти эффекты использованы для создания целого ря да датчиков. Так, полупроводниковые диоды, в которых наблюдается изменение вольтам перной характеристики под воздействием магнитного поля, получили название магнитодио дов.

В зависимости от соотношения длины базовой области d и длины диффузионного смещения носителей тока L, диоды можно разделить на диоды с тонкой базой ( d L ) назы ваемые «тонкими», и диоды с толстой базой ( d L) или «длинные» диоды.

Для создания магнитодиодов применяют диоды с толстой базой, в которых падение на пряжения при пропускном направлении тока распределяется между р-п–переходом и со противлением базы диода U ПР = U p n + U (40) При высоких уровнях инжекции концентрации электронов и дырок практически одина ковы и э.д.с. Холла близка к нулю. Дырки, инжектированные из p n – перехода, будут дви гаться под некоторым углом к направлению внешнего электрического поля.

В «длинном» диоде при высоком уровне инжекции магнитное поле не только уменьша ет подвижность, но и изменяет длину диффузионного смещения, удлиняет линии тока, т. е.

увеличивает эффективную толщину базы, а также изменяет время жизни неосновных носи телей. Все это приводит к уменьшению глубины проникновения инжектированных из p n перехода носителей и вызывает увеличение сопротивления полупроводника в базовой облас ти. В результате увеличения сопротивления базы прямое напряжение, приложенное к диоду с толстой базой, перераспределяется согласно (40): увеличивается U и уменьшается напря жение, падающее на p n -переходе. Вследствие этого резко уменьшается ток, проходящий через диод.

Таким образом, в «длинном» диоде первоначальное изменение неравновесной прово димости толщи полупроводника или параметров, ее определяющих (таких, как время жизни, подвижность и др.), «запускает» лавинный механизм изменения его тока, т. е. малое началь ное уменьшение длины диффузионного смещения в магнитном поле приводит к очень силь ному уменьшению прямого тока диода вследствие резкого снижения концентрации неравно весных носителей. Это и есть магнитодиодный эффект. Из этого следует, что при соответст вующем выборе геометрических размеров и электрофизических свойств используемых по лупроводниковых материалов «длинный» диод может быть использован в качестве магнито диода.

По сравнению с описанными выше преобразователями Холла и магниторезисторами магнитодиоды обладают намного большей чувствительностью к магнитному полю.

В качестве иллюстрации работы магнитодиода (действия магнитного поля на вольтам перную характеристику «длинного» диода) на рис. 32 приведены прямые ветви вольтампер ных характеристик германиевого магнитодиода в магнитных полях с различной магнитной индукцией.

В настоящее время магнитодиоды производят из германия, кремния, сурьмянистого индия, арсенида галлия и индия, из твердых растворов HgTe CdTe и других соединений.

Антимонид индия в качестве материала магнитодиода может использоваться только при по ниженных температурах. Германиевые магнитодиоды в настоящее время получили наи большее применение, но параметры этих приборов недостаточно хороши, в частности, они удовлетворительно работают только при температурах, близких к комнатной. Кремниевые магнитодиоды могут работать не только при комнатной температуре, но и при повышенных 80...100 °С температурах.

Рис. 32. Прямые ветви вольт–амперных характеристик германиевого диода:

1 – В = 0 Тл;

2 – В = 0,2 Тл;

3 – В = 0,3 Тл;

4 – В = 0,4 Тл;

5 – В = 0,7 Тл;

6 – В = 0,8 Тл Наиболее перспективным материалом для создания магнитодиодов в настоящее время является арсенид галлия. На основе арсенида галлия можно создавать магнитодиоды с хоро шими параметрами и с рабочей температурой выше 100°С. Однако трудности в получении качественных монокристаллов тормозят широкое внедрение этого материала в производство магнитодиодов.

Параметры магнитодиодов. Для оценки чувствительности магнитодиодов к магнит ному полю используют несколько параметров. По аналогии с датчиками Холла вводится магниточувствительность Sb, которая представляет собой изменение напряжения на магни тодиоде при изменении индукции магнитного поля на единицу индукции при постоянной плотности тока. Вводится также параметр, называемый относительной магниточувствитель S ностью S ОТН = 10 3 b.

I Промышленностью серийно выпускаются магнитодиоды типов КД301 (А...Ж), КД (А...Ж), КД304 А (Ж). Рабочие напряжения диодов КД301 приведены в табл. 23.

Конструкции магнитодиодов. Известные в настоящее время магнитодиоды класси фицируют по параметрам, конструктивным особенностям, виду вольт–амперных характери стик и т. п. Так, имеются «торцевые» и планарные магнитодиоды, маломощные и мощные, однобазовые и двухбазовые, с дополнительной зоной поверхностной рекомбинации, магни тодиоды с отрицательным дифференциальным сопротивлением и др.

Таблица Параметры магнитодиодов Тип магнитодиода Параметры КЖ301А КД301Б КД301В КД301Г КД301Д КД301Е Рабочее 6,0…7,4 7,5…8,9 9,0…11,9 10,5…13,4 12,0…13,4 13,5… напряжение, В Кроме параметра, приведенного в табл. 23, магнитодиоды КД301 имеют другие пара метры: относительная магниточувствительность больше 104 В/А Тл;

рабочая частота – до кГц;

рабочий интервал температур – 60...85 СС;

максимально допустимая мощность 200 мВт при рабочих температурах ниже 25 °С и 100 мВт при рабочих температурах до 85 °С;

макси мально допустимое обратное напряжение 100 В;

максимально допустимый импульсный ток (длительность импульса 6 мкс) – 40 мА при рабочих температурах до 25 °С и 20 мА при ра бочих температурах до 85 °С.

Маломощные магнитодиоды рассчитаны на рассеиваемую мощность 50... 100 мВт. Они изготавливаются из германия с удельным сопротивлением 0,4...0,6 Ом. На рис. 33 приведено схематическое изображение таких магнитодиодов. Размеры даны в миллиметрах.

Конструктивное оформление магнитодиодов очень разнообразно. Описаны магнито диоды с малой площадью p n – перехода со сплошным p n переходом, секционирован ные магнитодиоды и т.п.

а) б) Рис. 33. Германиевые маломощные диоды: а – торцевой, б – планарный конструкции Для увеличения магниточувствительности используют магнитодиоды с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Были созданы как двухэлектродные, так и много электродные приборы: S -магнитодиоды с N – S -характеристикой, двухбазовые магнитодио ды и некоторые другие. Например, у S -агпитодиодов чувствительность достигает 1000 В/Тл, т. е. почти на два порядка выше, чем у обычных германиевых магнитодиодов.

Применение и схемы включения магнитодиодов. Высокая магниточувствительность магнитодиодов открыла перед гальваномагнитными приборами новые области применения – в различных ключевых схемах, в переключателях и других устройствах, где нет необходимо сти обеспечения существенной линейности и стабильности зависимости величины, характе ризующей проявление эффекта от магнитного поля, но важно значение характеризующей его величины. Большая чувствительность дает возможность использовать магнитодиоды в раз личных устройствах без дополнительных усилителей. Магнитодиоды сами могут работать в качестве усилителей с полностью электрически разделенными входом и выходом, в качестве бесконтактных измерителей электрических токов и т. п.

Использование магнитодиодов в коммутационных устройствах выгодно тем, что в них не возникают электрические разряды, а поэтому они взрывобезопасны и могут использо ваться в газовой, нефтяной, химической промышленности. В коммутационных схемах маг нитодиоды удобно использовать вместе с другими полупроводниковыми элементами, имеющими малые сопротивления в открытом состоянии (например, тиристорами). В таких схемах легко достигаются отношения сопротивления закрытого прибора к сопротивлению открытого более 105. Одновременно оказывается возможным создание переключателей боль ших электрических мощностей, ограничение на которые накладываются в этом случае толь ко предельными значениями напряжений и токов тиристора.

Перечислим некоторые из областей использования магнитодиодов:

использование магнитодиодов в качестве датчиков пространственного положения, перемещения, датчиков частоты и амплитуды колебаний, счетчиков числа оборотов;

измерение с помощью магнитодиодов магнитных полей, исследование конфигура ции и однородности магнитных полей;

бесконтактный способ измерения токов по созданному этими токами магнитному полю;

использование в различных типах генераторов электрических колебаний (генерато ры синусоидальных колебаний, релаксационные генераторы шумовых колебаний);

использование в качестве регулируемых бесконтактным способом (магнитным по лем) сопротивлений;

схемы перемножения и деления, сигналов, схемы удвоения частоты.

Магнитотранзисторы. Идея использования транзисторов в качестве преобразовате лей, характеристики которых чувствительны к магнитному потоку реализована в последние годы. Поскольку обычный биполярный транзистор состоит из двух p n -переходов, один из которых в нормальном включении открыт (эмиттерный), а другой (коллекторный) закрыт и ток через последний создается носителями, инжектированными из эмиттера, то незначитель ные изменения коэффициента усиления по току эмиттера в «тонких» транзисторах могут вы звать очень большие изменения тока. Поэтому на основе транзисторов можно создавать та кие же преобразователи, основанные на управлении длиной диффузионного смещения, как и на «длинных» диодах. Аналогом сопротивления базы в «длинных» диодах в магнитотранзи сторах является сопротивление, коллекторного p n -перехода, включенного в обратном на правлении. Также возможно создание транзисторов (как «тонких», так и «длинных»), пара метры которых чувствительны к магнитному полю. Созданы и исследованы эксперимен тальные образцы не только магниторезисторов на биполярных структурах, но и двухколлек торные магнитотранзисторы, однопереходные магнитотранзисторы, полевые гальванома– гниторекомбинационные магнитотранзисторы и магнитотиристоры, которые могут приме няться в различного типа преобразователях перемещений, параметров магнитных полей и других величин.

Термоэлектрические преобразователи. Основыне термоэлектрические явления.

Термоэлектрическими явлениями принято называть эффекты возникновения в прово дящих средах электродвижущих сил и электрических токов под воздействием тепловых по токов, а также эффекты возникновения теплот, дополнительных к джоулевому теплу, при протекании электрического тока.

Среди известных 12-ти термоэлектрических явлений в измерительной технике широко применяется эффект Зеебека, заключающийся в том, что в замкнутом контуре (рис. 34), со стоящем из двух разнородных проводников, возникает термо-э.д.с. Et, пропорциональная разности температур спаев. Дифференциальная или удельная термо-э.д.с, называемая отно сительным коэффициентом термо-э.д.с. или коэффициентом Зеебека, возникает вследствие различных свойств неодинаковых металлов в зависимости от температурного градиента E t (41) = t Она зависит от многих факторов, в первую очередь от температуры t. Создание цепей, со стоящих из различных проводников позволяет экспериментально определить относительную термо-э.д.с. проводника A относительно проводника B E tA E tB АВ = А В = lim (42) t t Рис. 34. Термоэлектрическая цепь из двух материалов Иногда удобно пользоваться понятием абсолютного коэффициента термоэлектродом, не обладающим термоэлектрическим эффектом. Известно, что таким абсолютным термо электродом может быть любой сверхпроводник.

Однако, поскольку температурный диапазон существования сверхпроводимости узок по сравнению с диапазоном применения термоэлектрических преобразователей, значения абсолютных удельных коэффициентов термо-э.д.с. определяют косвенно по измеренным значениям величин, через которые проявляются эффекты Пельтье или Томсона. Эффект Пельтье состоит в том, что в месте контакта проводников A и B выделяется или поглощает ся количество теплоты Q, пропорциональное значению протекающего тока I, то есть Q = AB I (43) где AB – коэффициент Пельтье.

Обратимое выделение или поглощение теплоты Пельтье не зависит от природы контак та, а зависит лишь от свойств каждого из компонентов пары проводников, т. е. от абсолют ных коэффициентов Пельтье каждого из них. В температурных измерениях это явление мо жет играть существенную роль только при достаточно больших значениях удельных плотно стей электрических токов в измерительных цепях, что обычно не имеет места на практике.

Эффект Томсона заключается в выделении (или поглощении) теплоты Q в проводнике с током при наличии продольного градиента температур. Применительно к проводникам, об разующим термоэлектрическую цепь, допустимо одномерное представление температурных или электрических полей. В этом случае уравнение Томсона может быть записано в следую щем виде Q = I t (44) где – коэффициент Томсона.

Между тремя описанными термоэлектрическими явлениями установлены соотношения Томсона (Кельвина):

da (45) =t at = t a (46) В отличие от двух других явление Томсона по своей природе абсолютно, что открывает возможность по измеренным значениям коэффициента Томсона найти абсолютные значения коэффициентов Пельтье и Зеебека. Последний получается интегрированием уравнения (45) (t ) (t ) = dt.

t Наличие информации о значении абсолютного коэффициента термо-э.д.с. хотя бы для одного материала открывает возможность привязки результатов измерений температуры с использованием других материалов к их абсолютным значениям относительно этого мате риала. В качестве такого эталонного материала при определении низких температур приме няется свинец.

При средних и высоких температурах в качестве эталонного материала часто использу ется платина. В практике температурных измерений платина имеет широкое применение благодаря ряду положительных свойств, связанных с возможностью получения и сохранения высокой степени чистоты материала. В связи с этим термоэлектрические характеристики многих металлов и сплавов были исследованы относительно платины. Значения термо-э.д.с.

для материалов, применяемых для температурных измерений, приведены в паре с платиной в табл. 24, 27. Эти термо-э.д.с. определены при температуре рабочего спая t1 = 100 °С и темпе ратуре свободных концов термопары t 0 = 0 °С Приведенные в табл. 24 данные позволяют определить термо-э.д.с, термоэлектрическо го преобразователя, составленного из любой пары термоэлектродов, как алгебраическую разность значений термо-э.д.с, развиваемых соответствующими термоэлектродными мате риалами в паре с платиной.

Таблица Термо-э.д.с. некоторых материалов в паре с платиной Материал Термо-э.д.с. мВ Материал Термо–э.ж.с. мВ Кремний +44,4 Ртуть 0, Хромель +2,4 Палладий –0, –0, Нихром +2,2 Цинк Железо +1,88 Никель –1,2…–1, Вольфрам +0,8 Алюмель –1, –3, Медь +0,76 Константан –4, Золото +0,75 Копель +0,64 Висмут –5,2…–7, Платинородий (10% родия) Графит 0,32 Молибденит –69…– Серебро +0, Поскольку зависимость термо-э.д.с. от температуры в широком диапазоне температур, как правило, нелинейна, то данные табл. 24 не распространяются на высокие температуры.

В термометрии руководствуются следующими тремя эмпирически установленными правилами.

1. Правило Магнуса – термо-э.д.с, возникающая в замкнутой цепи, образованной парой однородных, изотропных проводников зависит только от значения температуры спаев и не зависит от распределения температуры по длине проводников.

2. Правило аддитивности термо-э.д.с. по температуре. Если имеется возрастающая по следовательность температур изотермических пространств t1 t 2 t 3, то при измерении па рой термоэлектродов А – В справедливо следующее правило аддитивности:

E AB (t3, t2 ) + E AB (t2, t1 ) = E AB (t3, t1 ) (47) 3. Правило аддитивности термо-э.д.с. по материалам. Если для измерения разности температур t1 t 2 имеются термоэлектрические материалы А, В и С, то справедливы сле дующие соотношения:

E АВ (t1, t 2 ) + E BC (t1, t 2 ) = E AC (t1, t 2 ) ;

(48) E AB = E BA, E AC = ECA и т. д.

Из последних двух правил следует общее правило конструирования термоэлектриче ских измерительных цепей, а именно: неоднородность проводника допустима только в изо термической области и наоборот – неизотермичность допустима только в однородном про воднике. Недопустимо сочетание неоднородности и неизотермичности. Руководствуясь этим правилом при введении в цепь термопары приборы для измерения э.д.с, необходимо обеспе чить изотермичность его входных цепей.

Принцип действия термоэлектрических преобразователей. Измерение разности температур спаев термоэлектрической цепи (рис. 34) можно выполнить с помощью милли вольтметра, который включается либо в разрыв одного из проводников (А или В), либо меж ду концами проводников А и В. Помещая один спай, называемый рабочим, в среду, темпера тура t1, которой подлежит измерению, а температуру свободных спаев концов термопары поддерживая постоянной и равной t 0, в соответствии с (42) и (48) EТ = AB t1 + BA t 0 = AB (t1 t 0 ) = f (t1 ), где AB – относительный коэффициент термо-э.д.с материала А по отношению к материалу В.

В промышленности, как правило, измерения температуры t1 производятся относитель но температуры свободных концов t 0, с учетом влияния изменения их температуры на ре зультат измерения.

Материалы, используемые для изготовления термопар. Материалы для термопар характеризуются термоэлектрической добротностью Z=, x где – относительный коэффициент термо-э.д.с. материала;

– удельное сопротив ление;

x – коэффициент теплопроводности материала, который в случае металлов и метал лических сплавов может быть рассчитан по формуле x = 2,45 10 8 t, где – электропроводность.

Для изготовления термопар более предпочтительными являются материалы с большой добротностью, в значительной степени определяемой значением. Чем больше коэф фициент, тем больше термо-э.д.с. материала, развиваемая в паре с эталонным материалом (см. табл. 24), что даст возможность повысить чувствительность термопар на основе этих ма териалов.

Термоэлектрические материалы должны обладать как можно большей удельной мощ ностью, определяемой произведением 2.

Свойства некоторых металлических термоэлектрических сплавов приведены в табл. 25.

Материалы электродов должны обеспечивать как можно большую чувствительность термоэлектрических преобразователей, воспроизводимость и стабильность их характеристик при изготовлении и эксплуатации, линейность функции преобразования в широком диапазо не преобразуемых температур, незначительное электрическое сопротивление, а также меха ническую прочность, коррозионную стойкость и технологичность при изготовлении.

Электроды термоэлектрических преобразователей изготавливают, как правило, в виде проволоки с круглым сечением. Диаметр термоэлектродной проволоки для термопар выби рают обычно не слишком большим с целью уменьшения погрешности, вследствие теплоот вода по электроду, а также для уменьшения времени преобразования. Для термопар из не благородных материалов обычно используют проволоку диаметром от 0,3 до 3 мм;

для тер мопар из благородных материалов – диаметром 0,35 и 0,5 мм. В особых случаях, например при измерении температуры жидкой стали, используют проволоку диаметром до 0,08 мм.

Таблица Свойства металлических термоэлектрических материалов Параметр Константан Копель Хромель Алюмель Температура плавления, оС 1260 1255 1435 1430… Плотность, кг/м3 890 890 870 Вт Теплопроводность при 0 оС, 14,4·10–6 14,8·10–6 12,8·10–6 13,7·10– м о С Температурный коэффициент электриче ского сопротивления при t от 20 до 100 оС, 0,00270… 2,0·10–5 –0,00014 0, 1 …0, о С Конструкции термоэлектрических преобразователей. Термопары, применяемые для преобразования температуры в э.д.с, соответствующим образом конструктивно оформлен ные и обладающие комплексом нормированных метрологическйх характеристик называют термоэлектрическими преобразователями (ТП).

В зависимости от диапазона преобразуемых температур их подразделяют на низкотем пературные (до 300 °С), среднетемпературные (до 1600 СС) и высокотемпературные (свыше 1800 °С), а в зависимости от назначения – на погружаемые и поверхностные. Конструкции термоэлектрических преобразователей зависят как от назначения, так и от диапазона преоб разования.

Погружаемые ТП используются для измерения температуры в газообразных и жидких неагрессивных и агрессивных средах. В качестве примера конструктивного исполнения по гружаемых ТП рассмотрим конструкции ТП из сплавов металлов. На рис. 35 приведен внеш ний вид погружаемых ТП, выполненных из сплавов неблагородных металлов.

На рис. 35 обозначены: 1 – устройство ввода соединительных проводов;

2 – крышка;

– корпус головки;

4 – защитная арматура. Такие ТП выполнены из хромель-алюмеловой или хромель-копелевой проводки с керамическими изоляторами между термоэлектродами и за щитной арматурой. Для обеспечения виброустойчивости термоэлемент засыпают безводной окисью алюминия и герметизируют эпоксидным компаундом.

Рис. 35. ТП из неблагородных металлов Свободные концы ТП подсоединены к контактным зажимам головки, а рабочий конец ТП изолируется от защитной арматуры керамическим наконечником.

Для измерения температур выше 900 °С применяют платинородий – платиновые (ТПП) и платинородий – платинородиевые (ТПР) термопреобразователи. В качестве примера на рис. 36 в размере показана конструкция ТП, где 1 – крышка;

2 – корпус;

3 – защитная арма тура;

4 – корундовый наконечник;

5 – рабочий спай ТП;

6 – сальниковый ввод. Термоэлек троды этих ТП изолированы друг от друга керамическими изоляторами и помешены в за щитную арматуру, состоящую из огнеупорного корундового чехла, закрепленного посредст вом огнеупорной замазки в стальной трубе.

Рис. 36. ТП из благородных металлов Для измерения температуры поверхностей применяют переносные и стационарные по верхностные ТП. Их термоэлектроды, как правило, выполненные в виде ленты, изготавли вают из меди, железа, копеля и константана.

Для измерения температуры вращающихся поверхностей применяют ТП типов ДТВ 074, ТХК-2175. В частности, термоэлектрический преобразователь ТХК-2175 предназначен для стационарного измерения температуры поверхностей валков около 100 мм в диапазоне 30...300 °С с основной погрешностью, не превышающей ± 3°С, а преобразователь ДТВ- для измерения температуры поверхности рабочих валков станов холодной прокатки диамет ром более 400 мм в диапазоне 30...150°С.

Для измерения температур поверхностей неподвижных тел используют пятачковые, штыковые и лучковые ТП.

Эффект Холла. Вернемся еще раз к эффекту Холла. Холл открыл это физическое яв ление в 1879 голу. Первоначально этот эффект применялся для изучения электропроводимо сти метало, полупроводников и других токопроводящих материалов. В настоящее время дат чики Холла используются для обнаружения магнитных полей и определения положения и перемещения объектов.

Эффект Холла основан на взаимодействии между движущимися носителями электри ческого заряда и внешним магнитным полем. В металлах носителями зарядов являются элек троны. При движении электронов в магнитном поле на них действует отклоняющая сила:


F = qvB (49) где q = 1,6 1019 Кл – величина заряда электрона, v – его скорость, B – магнитная ин дукция. F и B являются векторами. Направление силы и ее величина зависят от простран ственного расположения магнитного потока и направления движения электрона. Единицей измерения B является тесла: 1 Тесла = 1 Ньютон/(ампер метр) = 104 Гаусс.

Предположим, что электроны двигаются внутри электропроводной пластины, поме щенной в магнитное поле B (рис. 37). На две стороны пластины нанесены дополнительные электроды, подключенные к вольтметру. Еще два электрода расположены сверху и снизу пластины, они подсоединены к источнику электрического тока. Из-за действия внешнего магнитного поля возникает отклоняющая сила, смещающая электроны ближе к правому краю пластины, поэтому эта сторона становится более отрицательно заряженной, чем левая.

Очевидно, что вследствие взаимодействия магнитного поля и электрического тока возникает поперечная разность потенциалов, получившая название напряжение Холла V H. Знак и ам плитуда этого напряжения зависят как от величины, так и направления магнитного и элек трического полей. При фиксированной температуре оно определяется выражением:

V H = hiB sin (50) где – угол между вектором магнитного поля и плоскостью пластины Холла (рис. 38), a h – полная чувствительность датчика, на значение которой влияют тип материала пласти ны, ее геометрия (площадь активной зоны) и температура.

Полная чувствительность датчика Холла зависит от коэффициента Холла, который оп ределяется градиентом поперечного электрического потенциала на единицу интенсивности магнитного поля и на единицу плотности тока. В соответствии с теорией свободных элек тронов в металлах, коэффициент Холла можно найти при помощи выражения:

H= (51) Ncq где N – число свободных электронов в единице объема, а c – скорость света. В зави симости от кристаллической структуры материала заряды могут быть либо электронами (от рицательными), либо дырками (положительными). Поэтому и эффект Холла бывает либо по ложительным, либо отрицательным.

Рис. 37. Датчик Холла. Магнитное поле отклоняет движущийся электрический заряд Линейный датчик Холла обычно размещается в корпусе с четырьмя выводами. Два вы вода для подключения тока управления называются управляющими выводами, а сопротивле ние между ними – сопротивлением управляющей цепи R1 Выводы для измерения выходного напряжения называются дифференциальными выходами, а сопротивление между ними – вы ходным дифференциальным сопротивлением R0. Эквивалентную схему датчика Холла (рис.

39) можно представить в виде узлового соединения 4-х резисторов и двух источников на пряжения, включенных последовательно с выходными выводами. Знак на рис. 38, б и указывает на то, что вектор B направлен от наблюдателя.

а) б) Рис. 38. а – выходной сигнал датчика Холла зависит от угла между вектором магнитного поля и плоскостью пластины, б – четыре вывода датчика Холла Датчик характеризуется следующими параметрами: сопротивлениями R1 и R0, напря жением смещения при отсутствии магнитного поля, чувствительностью и температурным коэффициентом чувствительности. Большинство датчиков Холла изготавливаются из крем ния, и их можно разделить на две основные категории: простые и интегрированные. Для по строения чувствительных элементов на основе эффекта Холла применяются InSb, InAs, Ge и GaAs. Кремниевые сенсоры могут быть интегрированы на одной подложке с интерфейсными электронными схемами. Такая интеграция особенно важна при построении прецизионных датчиков, поскольку напряжение Холла обычно довольно мало. В таблице 26 приведены ос новные характеристики простого кремниевого линейного датчика Холла UGN-3605K, вы пускаемого кампанией Sprague.

Рис. 39. Эквивалентная схема датчика Холла Встроенная интерфейсная схема может иметь в своем составе пороговый детектор, превращающий датчик в устройство с двумя положениями: его выходной сигнал будет равен нулю, когда магнитное поле ниже порогового значения, и единице – когда плотность маг нитного потока становится значительной.

Поскольку кремний обладает пьезорезистивными свойствами, датчики, реализованные на его основе, реагируют на механические напряжения, поэтому необходимо минимизиро вать нагрузки на корпус датчика и на подводящие провода. Датчики Холла также являются чувствительными к колебаниям температуры, приводят к изменению сопротивления сенсор ных элементов. Если чувствительный элемент подключен к источнику напряжения, измене ния температуры будут влиять на значение сопротивления, а, следовательно, и на ток в цепи управления. Поэтому предпочтительнее управляющие выводы подключать к источнику тока, а не источнику напряжения.

Таблица Типовые характеристики линейного датчика Холла Управляющий ток 3 мА Сопротивление управляющей цепи 22 кОм Температурный коэффициент чувствительности сопротивления + 0,8% / °С управляющей цепи Дифференциальное выходное сопротивление 44 кОм 50 мВ (при B = Выходное напряжение смещения Гс) Чувствительность 60 мкВ / Гс Температурный коэффициент чувствительности + 0,1% / °С Полная чувствительность 20 В / (Ом кГс) Максимальная плотность магнитного потока ограничений нет На рис. 40, а приведена схема датчика Холла, реализованного на кремниевой подложке p-типа с зоной n-типа, полученной методом ионной имплантации. Электрические контакты обеспечивают подсоединение к источнику питания и формируют выходные выводы датчика.

Элемент Холла представляет собой квадрат с углублением с четырьмя электродами, вклю ченными по диагоналям (рис. 40, б). На рис.40, в приведена его эквивалентная схема в виде резистивного моста. Поскольку мосты являются самыми популярными электрическими це пями с хорошо проработанными методами расчета, они чаще всего используется на практи ке.

а) б) в) Рис. 40. а и б – кремниевый датчик Холла с n-зоной, в – его эквивалентная схема в виде рези стивного моста Магниторезетивные датчики. Эти датчики применяются в тех же самых областях, что и датчики Холла. Магниторезистивные датчики могут использоваться как детекторы приближения, положения и поворота. Для функционирования им необходимы внешние ис точники магнитных полей, в качестве которых обычно применяются прикрепленные к ним постоянные магниты.

На рис. 41, а показано, как можно использовать магниторезистивные датчики KMZ10B и КМ110В (информация по этим датчикам взята из документации Philips Semiconductors BV (Eindhoven, The Netherlands)) для определения линейных перемещений металлических объ ектов. Датчик размещается между пластиной и постоянным магнитом, ось которого ориен тирована перпендикулярно оси металлической пластины. Неоднородности в пластине, на пример, отверстия и области немагнитного материала, нарушают магнитное поле и вызыва ют изменения выходного сигнала датчика. На рис. 41 показаны выходные сигналы при раз ном расстоянии d между пластиной и магнитом. При совмещении отверстия и датчика сиг нал на его выходе становится равным нулю, независимо ни от расстояния d, ни от окружаю щей температуры.

а) б) Рис. 41. Измерение линейных перемещений при помощи магниторезистивного датчика KMZ10: а – датчик расположен между постоянным магнитом и металлической пластиной, б – выходной сигнал при разном расстоянии между магнитом и пластиной На рис. 42 показан способ применения того же датчика для измерения угловых пере мещений. В данном устройстве магнитное поле создается двумя постоянными магнитами RES 190, закрепленными на вращающейся рамке, между которыми помещен датчик. Выход ной сигнал датчика соответствует угловому перемещению рамки.

Рис. 42. Измерение угловых перемещений при помощи датчика KMZ На рис. 43, а показана схема определения угла и направления поворота зубчатого коле са при помощи датчика КМ110. Метод определения направления вращения основывается на раздельной обработке выходных сигналов датчика, снимаемых с двух половин мостовой схемы.

а) б) Рис. 43, а – оптимальное рабочее положение магниторезистивного модуля. Отметим, что магнит находится за датчиком, б – принципиальная схема модуля Модуль работает также как и магнитный мост Уитстона, измеряющий напряженность магнитного поля, изменяющуюся в зависимости от того, какая часть колеса находится на против датчика: впадина или зубец. В этом модуле очень важно правильно расположить дат чик и магнит: угол между осями симметрии датчика и колеса должен быть близок к нулю.

Более того, желательно, чтобы они совпадали. На рис. 43, б показана принципиальная схема такого модуля. Сигналы с мостовой схемы поступают сначала на соответствующие усилите ли, а потом через фильтры нижних частот на триггеры Шмитта, формирующие на своих вы ходах прямоугольные импульсы. Разность фаз на обоих выходах (рис. 44, а и 45, б) показы вает направление вращения.

а) б) Рис. 44. Выходные сигналы магниторезистивного модуля: а – колесо вращается в направле нии 1, б – в направлении Термоэлектрические контактные датчики. Поскольку термоэлектрические контакт ные датчики состоят, по крайней мере, из двух разных проводников и двух соединений (пар) этих проводников, их часто называют термопарами. Они являются пассивными датчиками, т.к. сами вырабатывают напряжение в ответ на изменение температуры и не требуют для этого внешнего источника питания. Термопары относятся к классу относительных датчиков, поскольку их выходное напряжение определяется разностью температур между двумя спая ми и практически не зависит от абсолютной температуры каждого соединения. При измере нии температуры при помощи термопары один ее спай служит эталоном, и его температуру необходимо определять при помощи отдельного детектора абсолютной температуры, напри мер, термистора, РДТ и т.д. или его надо поместить в материал, находящийся в физическом состоянии, температура которого точно известна. Более подробное описание различных тер мопар и их применений можно найти во многих книгах. Приведем некоторые важные реко мендации по использованию наиболее распространенных типов термопар:


Тип T : Cu (+) и константан (–). Такие термопары устойчивы к коррозии (поэтому мо гут применяться для работы во влажной атмосфере) и пригодны для измерения отрицатель ных температур. При работе на воздухе в агрессивной среде их верхний предел рабочего диапазона ограничен 370 0 C (700 0 F ), что связано с окислением медного элемента. В других окружающих условиях термопары типа T могут использоваться при более высоких темпера турах.

Тип J : Fe (+) и константан (–). Термопары этого типа подходят для работы в вакууме, а также в различных средах: и инертных, и окислительных, и восстановительных. Их рабо чий температурный диапазон лежит в интервале 0...760°С. При температуре около 540°С на чинается быстрый процесс окисления железных термоэлементов. Если требуется, чтобы тер мопары работали длительное время в условиях высоких температур, для их изготовления не обходимо применять провода с большим поперечным сечением. Термопары типа J не реко мендуется использовать для измерения температур ниже точки замерзания воды из-за их хрупкости и подверженности ржавлению. В этом температурном диапазоне лучше работают термоэлементы типа Т.

Тип E : 10% Ni / Cr (+) и константан (–). Эти термопары рекомендуется использовать в температурном диапазоне – 200...900°С в окислительных или инертных атмосферах. В вос становительной атмосфере и в вакууме они имеют те же ограничения, что и термопары типа К. Термопары типа Е могут применяться для измерения отрицательных температур, благода ря тому, что они не подвержены коррозии при работе в атмосфере с повышенным содержа нием влаги. Они способны вырабатывать наибольшую среди всех известных типов термопар э.д.с, поэтому термоэлементы типа E являются самыми популярными.

Тип K : 10% Ni / Cr (+) и 5% Ni / Al / Si (–). Такие термопары применяются для работы в окислительной и полностью инертных средах для измерения температур в диапазоне – 200...1260°С. Благодаря своей устойчивости к окислению их часто используют при темпера турах выше 540°С. Однако термопары типа К нельзя применять в восстановительных и сер нистых атмосферах, а также в вакууме.

Тип R и S: Pt / Rh (+) и Pt (–). Эти термопары предназначены для непрерывной работы в окислительной и инертной среде в температурном диапазоне 0...1480°С Тип В: Pt / Rh (+) и 6% Pt / Rh (–). Термопары типа B подходят для непрерывной ра боты в окислительной и инертной атмосфере в температурном диапазоне 870...1700°С. Их также можно использовать для проведения кратковременных измерений в вакууме. Такие термопары не рекомендуется применять в восстановительной среде, содержащей пары ме таллов и неметаллов. Их нельзя вставлять в металлические защитные корпуса или чехлы.

Законы термоэлектричества. Для практического использования термопар необходи мо знать три основных закона, устанавливающих правила их подключения. Следует под черкнуть, что интерфейсные электронные схемы всегда должны подсоединяться к двум идентичным проводникам. Эти проводники, как правило, формируют одно из плечей термо парного контура, используемого для подключения измерительного устройства. На рис. 45, а это разомкнутое плечо обозначено как A.

Закон 1. Явление термоэлектричества характерно только для неоднородных электриче ских цепей.

Из этого закона следует, что для получения разности потенциалов Зеебека необходимо использовать неоднородный материал. В случае однородного проводника при любом рас пределении температуры вдоль его длины результирующее напряжение будет всегда нуле вым. Соединение двух разных проводников обеспечивает возникновение термо э.д.с.

Закон 2. Алгебраическая сумма всех термо э.д.с. цепи, состоящей из любого количест ва термопар (соединений разных материалов), будет всегда равна нулю, если все соединения находятся при одинаковой температуре.

Это значит, что в любое плечо термоэлектрического контура можно внести дополни тельный материал C, не боясь изменить результирующее напряжение V1 при условии, что оба новых соединения будут иметь одинаковую температуру ( T3 на рис. 45, а). Здесь нет ни каких ограничений на количество внесенных проводников, необходимо только поддержи вать одинаковую температуру в местах их подключения. Из этого закона также следует, что термоэлектрические соединения могут выполняться любым способом, даже с использовани ем промежуточных материалов (например, припоев): сваркой, пайкой, скруткой, сплавлени ем и т.д. При этом метод соединения не будет влиять на точность термопар. Из закона 2 вы текает правило введения дополнительных материалов (рис. 45, б): Если известны термо э.д.с ( V1 и V2 ) двух проводников (В и С) при их подсоединении к эталонному проводнику А, ре зультирующее напряжение при непосредственном контакте проводников В и С будет равно алгебраической сумме термо э.д.с V1 и V2.

а) б) в) Рис. 45. Иллюстрация правил соединения термопар Закон 3. Если два соединения разных материалов, находящихся при температурах T1 и T2, вырабатывают термо э.д.с V2, а при температурах T2 и T3 результирующая термо э.д.с.

равна V1 то при температурах T1 и T3 выходное напряжение V3 определяется суммой двух термо э.д.с V1 и V2 (рис. 45, в).

Этот закон иногда называется законом промежуточных температур. Он позволяет ка либровать термопары в одном температурном диапазоне, а использовать в другом. Из этого закона также следует, что в термоэлектрическую цепь могут быть внесены дополнительные провода без изменения ее точностных характеристик.

На основе этих трех законов может быть построено множество практических схем, применяемых для измерения, например, средней температуры объекта, разности температур между двумя объектами, а также для включения в измерительную цепь детекторов темпера туры других типов для определения температуры эталонных спаев.

Следует отметить, что термоэлектрические напряжения всегда очень малы, поэтому та кие детекторы, особенно при использовании длинных соединительных проводов, подверже ны влиянию различных помех. Для усиления выходного сигнала иногда используют после довательное соединение нескольких термопар, но при этом необходимо обеспечивать, чтобы все эталонные и все чувствительные соединения находились при соответствующих темпера турах. Такие структуры получили название: термоэлементы. Исторически повелось, что эталонные соединения называются холодными спаями, а чувствительные – горячими.

На рис. 46, а показана эквивалентная схема термопары и термоэлемента, состоящая из источников напряжений eh и ec, соответствующих разности потенциалов Зеебека горячего и холодных спаев, и последовательного резистора. Результирующее напряжение схемы V p яв ляется функцией измеряемой разности температур. Предполагается, что выводы схемы изго тавливаются из того же самого материала, например, железа.

а) б) Рис. 46. Применение термопар: а – эквивалентная схема термопары, б – термопарный тер мометр, в котором для измерения температуры эталонного соединения используется полу проводниковый детектор LM35DZ Схема подключения термопар. В прошлом холодные спаи термопар опускались в со суды с тающим льдом для поддержания их температуры, равной 0 o C (отсюда появилось на звание «холодные» спаи). Но это очень неудобно, а для многих практических схем и вовсе невозможно. Простое решение этой проблемы вытекает из второго и третьего законов термо элетричества. Холодный спай может находится при любой температуре, даже при темпера туре окружающей среды, единственное условие: значение этой температуры должно быть известно. Поэтому часто для измерения температуры холодного спая используется дополни тельный детектор (например, терморезистивный или полупроводниковый) без компенсаци онных цепей.

Рис. 47. Суммирование сигналов термитстора и термопары На рис. 46, б показана схема подключения термопары к электронному интерфейсу. Как видно из схемы, холодный спай термопары и дополнительный детектор находятся практиче ски при одинаковой температуре, для этого они часто располагаются на одной медной под ложке. Для устранения сухих контактов и обеспечения лучшей теплопроводности использу ется специальная смазка или эпоксидная смола. В рассматриваемом примере в качестве де тектора для измерения эталонной температуры применяется полупроводниковый датчик LM35DZ (National Semiconductor, Inc). Схема имеет два выходных сигнала: напряжение Зее бека V p и эталонное напряжение Vr. Из рисунка видно, что все соединения внутри схемы выполняются одинаковыми медными проводами. На обоих выводах схемы необходимо под держивать одинаковую температуру Tc, необязательно равную температуре холодного спая.

Это обстоятельство очень важно при проведении дистанционных измерений, когда темпера тура интерфейсной схемы может значительно отличаться от температуры холодного спая термопары.

Для определения температуры со схемы снимаются два сигнала: напряжение на термо паре V p и напряжение с выхода эталонного детектора Vr. Эти два сигнала поступают от дат чиков разного типа, имеющих различные передаточные характеристики. Термопары для большинства практических случаев можно считать линейными преобразователями с норма лизованной чувствительностью a p (В/К), в то время как выражение чувствительности эта лонного детектора определяется его типом. Существует несколько способов обработки вы ходных сигналов. Самый точный метод заключается в раздельном измерении сигналов, по следующем определении эталонной температуры Tr по характеристической зависимости эталонного датчика и нахождении разности температур по напряжению на термопаре V p :

Vp = Tx Tr = (52) ap Откуда и находится абсолютная температура измеряемого объекта Tx.

При работе в сравнительно узком температурном диапазоне сигналы термопары и эта лонного детектора температуры могут быть подключены ко входам одного ОУ (рис. 48). По скольку чувствительности этих устройств p и r достаточно сильно различаются, необхо димо применять масштабирующее устройство. Коэффициент усиления ОУ a должен выби раться, исходя из соотношения:

a p = r (53) Желательно, чтобы R0 = S 0 ( S 0 – это сопротивление термистора при калибровочной температуре T0 в Кельвинах;

например, при T0 = 298.15 К (25° С) или в середине рабочего диапазона). После дифференцирования выражения для напряжения Vr и подстановки урав нения (16.21) получим следующее соотношение для нахождения коэффициента усиления:

V0 V R0 S a= 0 (54) p T0 ( R0 + S 0 ) 4 p T 2 где V0 – постоянное напряжение, а – характеристическая температура термистора. Темпе ратура вычисляется по сопротивлению термистора S c, определяемого по выходному напря жению Vc :

Vc S c = R0 (55) V0 Vc 2.2.6. Содержание практических занятий по теме № Тема: Виды преобразовательных элементов и устройств (часть 2) (4 часа) Цель занятия: Изучить названные виды преобразовательных элементов и устройств.

Содержание темы:

1. Термоэлектрические преобразователи, терморезисторы, термопары, датчики Холла.

2. Магниторезисторы, магнитотранзисторы, магнитные варикапы, магниточувствитель ные интегральные схемы.

Литература: [7], с. 111-164;

[15], с. 134-185.

2.2.7. Интерферометрические, дифракционные и волоконно-оптические датчики.

Ультразвуковые датчики. Пьезорезоаннасные детчики. Акустооптические преобразователи и спектроанализаторы. Интеллектуальные датчики Интерферометрическая оптоволоконная модуляция В оптоволоконной технике в качестве выходного сигнала часто используется модуля ция интенсивности излучения. На рис. 48 показан оптический волновод, состоящий из двух каналов. Волновод изготовлен внутри подложки из ниобата лития, легированного Ti для увеличения коэффициента преломления, стандартным фотолитографическим методом. Для этого сначала на подложку была нанесена фотомаска. Затем при помощи электронного пучка на материал напылен слой Ti. После чего растворителем удален фоторезист, выходящий за границы маски. В процессе последующей температурной обработки атомы Ti проникли внутрь подложки. В результате этой технологической цепочки был получен профиль с пере менным коэффициентом преломления с разностью значений на поверхности и глубине, рав ной около 0,1% (на поверхности коэффициент преломления выше). Свет попадает в волно вод через полированные концы. Управляющие электроды располагаются параллельно волно водам. Напряжение, поданное на эти электроды, приводит к значительному сдвигу фаз в све товых волн.

а) б) в) Рис. 48: а – Канальный интерферометрический модулятор интенсивности излучения;

б – сдвиг фаз равен нулю, выходное излучение двух ветвей суммируется;

в – при сдвиге фаз, рав ному, все излучение уходит в подложку, и выходное излучение равно нулю Коэффициент оптического пропускания такого модулятора зависит от сдвига фаз между сигналами в двух каналах, который управляется напряжением V(t):

V (t ) Pout 1 + B, = 1 + cos (56) V Pin где V – перепад напряжения, необходимый для получения полного диапазона модуляции, а B – константа, регулирующая оптимальное положение рабочей точки. Когда разность фаз в двух ветвях волновода равна нулю, выходные излучения суммируются на выходе волновода.

Когда сдвиг фаз равен, весь свет уходит в подложку. Хорошо сконструированные модуля торы имеют высокий коэффициент контрастности, порядка 30 дБ.

Волоконооптические датчики Волоконоптические датчики могут достаточно эффективно использоваться в качестве детекторов приближения и уровня. На рис. 49 показан оптический детектор уровня жидко сти. Он состоит из двух оптоволоконных световодов и призмы. Принцип его действия осно ван на разности коэффициентов преломления воздуха (или газообразной фазы материала) и жидкости, уровень которой необходимо определить. Когда датчик находится выше уровня жидкости, большая часть света передающего световода (левого) попадает в принимающий световод (правый), что возможно благодаря полному внутреннему отражению призмы. Од нако часть лучей достигают отражающую поверхность призмы под углами меньшими, чем угол полного внутреннего отражения, и теряются в окружающей среде. Когда призма дости гает уровня жидкости, ее угол полного внутреннего отражения изменяется, поскольку коэф фициент преломления жидкости превышает коэффициент преломления воздуха. Это приво дит к большему падению интенсивности света, измеряемой на конце принимающего свето вода. Интенсивность света преобразуется в электрический сигнал при помощи соответст вующего фотодетектора.

Рис. 49. Оптический детектор уровня жидкости, простроенный на принципе изменения ко эффициентов преломления в жидкой и воздушной среде На рис. 50 показан еще один вариант волокнооптического датчика (данный датчик из готавливается кампанией Gems Sensors, Plainville,CT). Здесь световод имеет U-образную форму. В световоде при погружении в жидкость происходит модуляция интенсивности про ходящего света. Рядом с местами изгибов, там где радиус кривизны наименьший, детектор имеет две чувствительные области. Все устройство монтируется в зонде, имеющем диаметр 5 мм, при этом погрешность воспроизводимости результатов такого датчика составляет око ло 0,5 мм. Отметим, что при вынимании зонда из жидкости в чувствительных областях на нем остаются капли.

а) б) Рис. 50. Волоконооптический датчик уровня жидкости: а – когда датчик находится выше уровня жидкости, интенсивность света на выходе световода максимальная, б – когда чув ствительная область погружается в воду, интенсивность света падает Ультразвуковые датчики Такие детекторы посылают акустические волны на объект и принимают отраженные от него волны. Для использования таких детекторов в качестве датчиков движения желательно увеличить их рабочий диапазон и угол охвата территории. Для проведения бесконтактных измерений можно разработать активный датчик, который бы мог одновременно, и переда вать эталонный сигнал, и принимать отраженный от объекта сигнал. Передаваться энергия может в виде любого излучения – например, через электромагнитные волны оптического (как в ПЧД) или микроволнового диапазонов, через акустические волны и т.д. Принцип пе редачи и приема ультразвуковой энергии лежит в основе очень популярных ультразвуковых датчиков и детекторов скорости. Ультразвуковые волны являются механическими акустиче скими волнами, частота которых лежит за пределами слышимости человеческого уха – более 20 кГц. Однако сигналы этих частот воспринимаются некоторыми животными: собаками, кошками, грызунами и насекомыми. А некоторые виды млекопитающих, таких как летучие мыши и дельфины, общаются друг с другом ультразвуковыми сигналами.

При столкновении любых волн с объектом часть их энергии отражается. В случае ульт развуковых волн отраженная энергия рассеивается в пространстве. Это означает, что вне за висимости от направления падающего луча, все отраженные лучи почти равномерно распре деляются внутри широкого пространственного угла, который может достигать значения 180°. При движении объекта частота отраженных волн не совпадает с частотой излучаемых волн. Это и есть так называемый эффект Доплера.

Расстояние L0 до объекта можно определить по скорости ультразвуковых волн v в данной среде и углу (рис. 51, а):

vt cos L0 = (57) где t – время, за которое ультразвуковая волна распространяется от излучателя до объ екта и назад к приемнику. Если излучатель и приемник расположены недалеко друг от друга по сравнению с расстоянием до объекта, cos = 1. Очевидное преимущество ультразвуковых волн над волнами микроволнового диапазона заключается в том, что они распространяются со скоростями, которые намного меньше скорости света, характерной для СВЧ-волн. Поэто му интервал t для них гораздо длиннее, что упрощает его измерение, и, следовательно, сни жает стоимость устройств.

Для генерации любых механических волн, включая ультразвуковые, требуется органи зовать обратно поступательное движение поверхности, при котором создаются зоны разря жения и сжатия рабочей среды: газовой (воздушной), жидкостной или твердой. Для возбуж дения ультразвуковых волн чаще всего применяются пьезоэлектрические преобразователи, работающие в так называемом моторном режиме. Это название указывает на то, что в дан ном режиме пьезоэлектрические устройства напрямую преобразуют электрическую энергию в механическую.

На рис. 52, а показано, что входное напряжение, приложенное к пьезокерамическому элементу заставляет его изгибаться, возбуждая тем самым ультразвуковые волны. Поскольку пьезоэлектричество является обратимым эффектом, воздействие ультразвуковых волн на тот же керамический элемент приводит к появлению на его поверхности электрических зарядов.

Другими словами, элемент может работать и как излучатель, и как приемник (микрофон).

Типичная рабочая частота излучающего пьезоэлемента составляет около 32 кГц. Для повы шения эффективности частота задающего генератора должна быть равна резонансной часто те f r керамического элемента (рис. 51, б). При соблюдении этого условия удается реализо вать лучшую чувствительность и эффективность элемента. При работе схемы в импульсном режиме для передачи и приема сигнала можно использовать один и тот же пьезопреобразователь.

При непрерывном режиме работы необходимы два пьезоэлемента. На рис. 52, б показана типовая схема ультразвукового датчика перемещений, работающего в воздушной среде, а на рис. 53, а – его внешний вид. Часто на практике важно знать диаграмму направленности датчика, которая имеет вид, изображенный на рис. 53, б. Чем уже диаграмма, тем выше чувствительность преобразователя.

а) б) Рис. 51. Ультразвуковые датчики расстояний: а – принципиальная схема, б – импедансная характеристика пьезоэлектрического преобразователя а) б) Рис. 52. Пьезоэлектрический ультразвуковой преобразователь: а – входное напряжение при водит к изгибу элемента, что вызывает генерацию ультразвуковых волн. И наоборот, в ре зультате воздействия волн на выходе преобразователя появляется напряжение;



Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.