Волоконно-оптические преобразователи. (ВОП).




Световод – направляющая система для электромагнитных волн оптического диапазона, представляет собой стеклянное или полимерное волокно, покрытое оболочкой. Распространение света по световоду происходит за счёт явления полного внутреннего отражения на границе волокно-оболочка и характеризуется светопропусканием. Светопропускание определяется потерями энергии при распространении по волокну

T = Фвыхвх, где Фвх – световой поток на входе, а Фвых – на выходе световода

T = τ1τ2τ3, τ1 – характеризует потери за счёт отражения от торцов волокна на входе и выходе; τ2 – светопропускание материала световода, τ2 = e - εP, ε – показатель поглощения материала, Р – путь, проходимый лучом в волокне; τ3 – потери за счёт неполноты внутренних отражений, τ3 = ρn, ρ – потери при одном отражении, n – число отражений.

Принцип действия ВОП динамических перемещений основан на модуляции интенсивности светового потока за счёт изменения зазора между поверхностью и торцами световодов. Свет от источника излучения по передающему световоду попадает на поверхность и, отразившись от неё, по приёмному световоду подводится к фотопреобразователю.

Можно построить характеристику преобразователя Uфп = f(S). Очевидно, что увеличение зазора от S = 0 ведёт к увеличению Uфп. Однако при достижении некоторого максимума количество рассеиваемой световой энергии увеличивается, и это ведёт к спаду характеристики. Таким образом, на характеристике можно выделить 2 квазилинейных участка, в пределах которых коэффициент преобразования остаётся неизменным. Недостатком преобразователя является необходимость калибровки, т.к. Uфп зависит не только от зазора, но и от свойств поверхности и внешней засветки.

Достоинства ВОП: простота и низкая стоимость, слабая зависимость результатов от внешних э/м полей и температуры, возможность измерений в труднодоступных местах и т. д.

 

Тема 3. генераторные измерительные
преобразователи

В генераторных преобразователях выходной величиной являются. э.д.с. или заряд, функционально связанные с измеряемой неэлектрической величиной.

§ 13. Термоэлектрические преобразователи - основаны на термоэлектрическом эффекте, возникающем в цепи термопары.

Пусть имеются две пластинки из разных металлов, причём n1>n2.

а) Плотность электронного газа в металле 1 больше, чем в металле 2

б) при их соприкосновении вследствие преимущественной диффузии электронов из 1в 2между металлами возникает контактная разность потенциалов.

Контактная разность потенциалов Δφ при одинаковой температуре всех контактов в замкнутой цепи из металлических проводников не может создать тока, так как она лишь уравнивает потоки электронов в противоположных направлениях. Если найти алгебраическую сумму всех изменений потенциала в контактах такой цепи, то она будет равна нулю. Следовательно, в этих условиях контактная разность потенциалов Δφ не является э.д.с. Однако если температуры контактов Cи Dбудут разными, то в цепи возникнет э.д.с.

Действительно, если подогреть контакт Д, то в нем произойдет переход электронов из металла Bв металл A,а контактная разность потенциалов в соединении Dвозрастет. Так как в металле Aна конце Dэлектронов стало больше, то они устремятся к концу С. Увеличение концентрации электронов на конце Cвызовет их переход из металла Aв металл Bчерез контакт C.Отсюда они по металлу Bперейдут к контакту D. Таким образом, если температура контакта Dбудет все время больше, чем контакта С, то по замкнутой цепи будет происходить направленное движение электронов против часовой стрелки. Следовательно, в такой цепи действует э.д.с.

Э.д.с. в замкнутой цепи, составленной из разнородных металлов, которая обусловлена различными температурами контактов, называют термоэлектродвиукущей силой. Термо- э.д.с. в цепи из двух различных металлов прямо пропорциональна разности температур их контактов и зависит от рода металлов. Электрическая энергия в такой цепи получается за счет внутренней энергии источника, поддерживающего разность температур контактов.

Преобразователь, состоящий из двух разнородных металлов со спаянными концами, в котором создается электрическая энергия за счет внутренней энергии другого тела, поддерживающего разность температур спаев, называют термопарой. У термопары часто делают один спай, спаивая отрезки проволоки (или пластинки) из двух разнородных металлов, а к свободным концам присоединяют внешнюю цепь и измерительные приборы. Роль второго (холодного) спая выполняют контакты с проводами внешней цепи.

 

При разности температур точек 1 и 2 соединения двух разнородных проводников Аи В, образующих термопару, в цепи термопары возникает термо -э.д.с. При неизменной температуре одной точки соединения (t2 = соnst)

EA-B = f(t1) – C = f1(t1)

где t1-температура другой точки соединения. Эта зависимость используется в термоэлектрических преобразователях для измерения температуры.

Для измерения термо -э.д.с. электроизмерительный прибор (милливольтметр, потенциометр) должен быть включен в цепь термопары.

Точка соединения проводников (электродов) 1 называется рабочим концом термопары, точки 2 и 2’ - свободные концы.

Чтобы термо -э.д.с. в цепи термопары однозначно определялась температурой рабочего конца, необходимо температуру свободных концов термопары поддерживать одинаковой и неизменной.

Градуировка термоэлектрических термометров - приборов, использующих термопары для измерения температуры, производится обычно при температуре свободных концов 0°С. Градуировочные таблицы для стандартных термопар также составлены при условии равенства температуры свободных концов 0°С. При практическом применении температура свободных концов термопары не равна 0°С, и поэтому необходимо вводить поправку.

Для изготовления термопар, применяемых в настоящее время для измерения температуры, используются в основном специальные сплавы. В таблице приведены характеристики термопар в соответствии с ГОСТ 6616-74.

Для измерения высоких температур используются термопары типов ТИП, ТИР и ТЕР. Термопары из благородных металлов (ТИП и ТПР) применяются при измерениях с повышенной точностью. В остальных случаях применяются термопары из неблагородных металлов (ТХА, ТХК).

Все стандартные термопары взаимозаменяемы. Градуировочные таблицы и допускаемые отклонения градуировочных характеристик приведены в ГОСТ 3044-77.

Электроды стандартных термопар выполняются из проволоки диаметром 0,5 мм - для термопар из благородных металлов и диаметром до 3,5 мм - для термопар из неблагородных металлов. Рабочий конец термопары образуется путем сваривания электродов.

Тип термо-пары Наименование материалов электродов термопар Термо-э.д.с (при tрк = 100°С, tcк = =0°С), мВ Верхний предел измеряемой температуры, °С при применении термопары
длительном кратковременном
ТПП Платинородий (10% родия) – платина 0,64
ТПР Платинородий (30% родия) - платинородий (6% родия) 13,81(при tрк = 1800°С)
ТХА Хромель (90% Ni + 10% Сr) - алюмель (94,83% Ni + 2% Аl + 2% Мn + 1% Si + 0,17% Fe 4,10
ТХК Хромель - копель (56% Cu + 44% Ni) 6,90

Инерционность термопар характеризуется показателем тепловой инерции. Известны конструкции малоинерционных термопар, у которых показатель тепловой инерции составляет 5 - 20 с. Термопары в обычной арматуре имеют показатель тепловой инерции, равный нескольким минутам.

Эффект Пельтье.Выясним, что произойдет, если в цепь из двух разнородных металлов Аи В, изображенных на рис., включить источник электрической энергии, который создаст ток такого же направления, как ток, возникающий в них при подогреве контакта D. В этом случае поток электронов в спае D будет тормозиться, так как они должны преодолевать контактную разность потенциалов в переходном слое контакта D. В спае Cбудет происходить обратное явление, электроны будут ускоряться, так как силы поля переходной области в этом контакте будут действовать на электроны в сторону их движения. Таким образом, в контакте Dкинетическая энергия электронов будет переходить в потенциальную энергию, а в контакте C, наоборот, их потенциальная энергия будет переходить в кинетическую. Это означает, что при замыкании цепи контакт D будет охлаждаться, а контакт C – нагреваться. Это явление называют эффектом Пельтье и особенно сильно оно проявляется в полупроводниковых термоэлементах.

§ 14. Индукционные преобразователи -основаны на использовании закона электромагнитной индукции, согласно которому э.д.с., индуктированная в катушке, имеющей ω витков, e = - ω dФ/dt

где dФ/dt - скорость изменения магнитного потока, сцепленного с катушкой.

Индукционные преобразователи применяются для измерения скорости линейных и угловых перемещений.

Выходной сигнал индукционных преобразователей может быть проинтегрирован или продифференцирован во времени с помощью электрических интегрирующих или дифференцирующих устройств. После этих преобразований сигнал становится пропорциональным соответственно перемещению или ускорению. Поэтому индукционные преобразователи используются также для измерения линейных и угловых перемещений и ускорений. Наибольшее применение индукционные преобразователи получили в приборах для измерения угловой скорости (тахометрах) и в приборах для измерения параметров вибраций, т. е. для измерения линейных и угловых перемещений и ускорений (в виброметрах и акселерометрах).

Индукционные преобразователи для тахометров представляют собой небольшие (1 - 100 Вт) генераторы постоянного или переменного тока обычно с независимым возбуждением от постоянного магнита, ротор которых механически связан с испытуемым валом. При использовании генератора постоянного тока об угловой скорости судят по э.д.с. генератора, а в случае применения генератора переменного тока угловую скорость можно определить по значению э.д.с. или ее частоте.

На рис. показано устройство индукционного преобразователя для измерения скорости линейного перемещения, а также амплитуды перемещения и ускорения. Преобразователь представляет собой цилиндрическую катушку 1, перемещающуюся в кольцевом зазоре магнитопровода 2. Цилиндрический постоянный магнит 3 создает в кольцевом зазоре постоянное радиальное магнитное поле. Катушка при перемещении пересекает силовые линии магнитного поля, и в ней возникает э.д.с., пропорциональная скорости перемещения. Погрешности индукционных преобразователей определяются главным образом изменением магнитного поля с течением времени и при изменении температуры.

Основные достоинства индукционных преобразователей заключаются в сравнительной простоте конструкции, надежности работы и высокой чувствительности. Недостаток - ограниченный частотный диапазон измеряемых величин.

§ 15. Пьезоэлектрические преобразователи -основаны на использовании прямого пьезоэлектрического эффекта, заключающегося в появлении электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллов (кварца, сегнетовой соли и др.) под влиянием механических напряжений. Из кристалла кварца вырезается пластинка, грани которой должны быть перпендикулярны оптической оси Oz, механической оси Oyи электрической оси Ox кристалла. При воздействии на пластину усилия Fx вдоль электрической оси на гранях x появляются заряды Qx = kFx,

где k- пьезоэлектрический коэффициент (модуль).

 

При воздействии на пластину усилия Fy вдоль механической оси на тех же гранях x возникают заряды Qy = - kFy a/b, где a и b - размеры граней пластины.

Механическое воздействие на пластину вдоль оптической оси не вызывает появления зарядов.

На рис показано устройство пьезоэлектрического преобразователя для измерения давления газа. Давление Р через металлическую мембрану 1 передается на зажатые между металлическими прокладками 2 кварцевые пластинки 3. Шарик 4 служит для равномерного распределения давления по поверхности кварцевых пластинок. Средняя прокладка соединена с выводом 5, проходящим через втулку из изоляционного материала.

При воздействии давления Р между выводом 5 и корпусом преобразователя возникает разность потенциалов

U = 2Q(CП + C0) = 2kSP/( CП + C0)

где Q – заряд, возникающий на пластинке кварца; C0 – ёмкость проводов и входной цепи прибора, измеряющего разность потенциалов, k – пьезоэлектрический модуль кварца; S – площадь поверхности мембраны подверженная давлению.

По разности потенциалов U судят о значении давления Р.

В пьезоэлектрических преобразователях главным образом применяют кварц, у которого пьезоэлектрические свойства сочетаются с высокой механической прочностью и высокими изоляционными качествами, а также с независимостью характеристик от температуры в широких пределах. Используется также поляризованная керамика из титаната бария (BaTiO3) Размеры пластин и их число выбирают исходя из конструктивных соображений и требуемого значения заряда.

Заряд, возникающий в пьезоэлектрическом преобразователе, «стекает» по изоляции и входной цепи измерительного прибора. Поэтому приборы, измеряющие разность потенциалов на преобразователе, должны иметь высокое входное сопротивление (1012 – 1015 Ом), что на практике обеспечивается применением электронных усилителей с высоким входным сопротивлением.






Дата добавления: 2020-10-14; просмотров: 110; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ


Поиск по сайту:

Воспользовавшись поиском можно найти нужную информацию на сайте.

Поделитесь с друзьями:

Считаете данную информацию полезной, тогда расскажите друзьям в соц. сетях.
Poznayka.org - Познайка.Орг - 2016-2022 год. Материал предоставляется для ознакомительных и учебных целей.
Генерация страницы за: 0.037 сек.