Фотоумножители тонкого слоя (сиротский бутерброд)
Фотоэлектронный умножитель – это электровакуумный прибор для преобразования слабых световых сигналов в электрические, основанный на фотоэлектронной и вторичных эмиссиях.
Прибор состоит из фотокатода,
НЕЦЕНТРОСИММЕТРИЧНЫЕ ДИЭЛЕКТРИКИ.
1. Пьезоэлектрики – области применения.
2. Сегнетоэлектрики области применения
3. Варикапы
4. Фотоварикапы.
5. Пироэлектрики.
ТЕРМОПАРЫ
1. Термоэлектрические явления
2. Явления Томсона
3. Эффект Пельтье и эффект Зеебека.
Существует явления, которые в некотором роде считают обратным возникновению термоэлектрического тока. Если составить цепь из двух разных по природе металлов, и пропустить по ней электрический ток, то один из спаев начнет нагреваться, а другой нет – это эффект называется Пельтье. Чем больше термоэлектродвижущая сила образованного при этом термоэлемента, тм более резко выражен эффект Пельтье.
Полупроводниковый термоэлемент представляет собой два разнотипных полупроводника, концы которых с одной стороны соединены проводящей пластиной (например, Сu), а вторые концы разомкнуты и к ним можно присоединять измерительный прибор (например, гальванометр) или источник постоянного напряжения (рис. 3.5.).
Если к р - столбику полупроводника приложите минус (–) источника питания, а к n-столбику плюс (+), то положительные носители заряда будут двигаться вниз к минусу; отрицательные заряды – к плюсу, тоже вниз. При этом возникает эффект Пельтье, т.е. одни из спаев (верхний) будет охлаждаться, а второй спай (нижний) нагреваться.
Рис. 3.5. Эффект Пельтье (а) и Зеебека (б)
Действительно, это будет иметь место и вот почему: через элемент будет протекать ток; носители заряда, которые идут вниз, в нижнем спае встречаясь, будут рекомбинировать, исчезать как носители заряда. Но ток протекает через элемент непрерывно, значит в верхнем спае должно возникать (генерироваться) столько же пар, сколько их рекомбинировало в нижнем спае. При генерации идет затрата энергии, значит верхний спай будет охлаждаться; при рекомбинации идет выделение энергии – значит нижний спай будет нагреваться. Нагрев одного спая и охлаждение другого можно подсчитать по формуле Пельтье:
QП = П∙I∙τ, (3.10)
где QП – теплота Пельтье, которая на одном спае выделяется (нагрев), а на другом поглощается (охлаждение), Дж;
I – протекающий ток, А;
τ – время протекания тока, с.
В материале, по которому протекает ток, выделяется теплота Джоуля-Ленца, причем независимо от того или другого спая.
Она определяется формулой
QД-Л = 0,24∙I2∙R∙τ, (3.11)
где QД-Л – теплота Джоуля-Ленца, Дж;
R – сопротивление материала, Ом.
Как видим и QПиQД-Лзависят от величины протекающего тока.
Эффект Зеебека показан с помощью рис. 3.5, б. Если один из спаев термоэлемента, например верхний (1), нагреть, а спай (2) охладить, то на разорванном нижнем спае появится постоянная разность потенциалов. Это произойдет в результате того, что носители заряда при наличии градиента температуры спаев будут двигаться направленно (от нагретого спая к холодному). На нижних концах столбиков термоэлемента скопятся носители заряда: на р - дырки (положительные), наn– электроны (отрицательные). Скопление противоположных носителей заряда создает электрическое поле.
Напряжение на таком термоэлементе определяется формулой Зеебека
U = A∙(Тнагр. – Тохл.), (3.12)
где U – напряжение;
А – коэффициент термо-ЭДС для данных пар полупроводниковых столбиков;
Тнагр .– температура нагретого спая;
Тохл. – температура охлаждаемого спая.
В термоэлектрических явлениях взаимодействуют электрические и тепловые поля. К материалам для изготовления, например, столбиков термоэлементов, предъявляются требования – иметь высокую электропроводность, т.к. эффекты зависят от величины тока, протекающего в них, но в то же время материал не должен обладать высокой теплопроводностью, чтобы тепло от нагретого спая не ухудшало эффекта охлаждения другого спая. Эти требования противоречивые, но им удовлетворяют сложные соединения типа Bi2Te3∙Sb2Se3и подобные им.
4. Термопары из благородных металлов и их характеристики.
Благородные металлы (платина-кобальт)
Колоссальные значения Нс = 400 кА/м. Платина-кобальт-кремний – 480 кА/м. Wmax (Pt-Co) сравним с ЮНДК24. Очень большие значения магнитных характеристик обуславливают высокую стабильность из этих материалов. Их используют в очень точных э/м приборах с подвижными магнитами в качестве магнитных пружин. В бытовых приборах не используются.
5. Термопары из неблагородных металлов и их характеристики.
6. Термопары из огнеупорных соединений.
ТЕНЗОДАТЧИКИ.
1. Основные положения тензоэффекта
Тензоэффект — свойство материалов изменять при деформации свое электрическое сопротивление. При этом считается, что сопротивление проводника или полупроводника зависит (при неизменном объеме) от его длины.
Тензометрический измерительный преобразователь - параметрический резистивный преобразователь, который преобразует деформацию твердого тела, вызванную приложенным к нему механическим напряжением, в электрический сигнал.
Принцип действия: При растяжении проводящих элементов тензорезистора увеличивается их длина и уменьшается поперечное сечение, что увеличивает сопротивление тензорезистора, при сжатии — уменьшается.
Принцип действия проиллюстрирован на анимированном изображении. Для наглядности на изображении величина деформации тензорезистора утрированно увеличена, как и изменение сопротивления. В реальности относительные изменения сопротивления весьма малы (менее ~10−3) и для их измерений требуются чувствительные вольтметры или прецизионные усилители или прецизионные усилители + АЦП. Таким образом, деформации преобразуются в изменение электрического сопротивленияпроводников или полупроводников и далее — в электрический сигнал, обычно сигнал напряжения.
Резистивный тензодатчик представляет собой основание с закрепленным на нем чувствительным элементом. Принцип измерения деформаций с помощью тензометрического преобразователя состоит в том, что при деформации изменяется активное сопротивление тензорезистора. Эффект изменения удельного сопротивления металлического проводника под действием всестороннего сжатия (гидростатического давления) был обнаружен в 1856 году лордом Кельвином ив 1881 году О.Д.Хвольсоном.
В современном виде тензометрический измерительный преобразователь конструктивно представляет собой тензорезистор, чувствительный элемент которого выполнен из тензочувствительного материала (проволоки, фольги и др.), закрепленный с помощью связующего (клея, цемента) на исследуемой детали (Рисунок 1). Для присоединения чувствительного элемента в электрическую цепь в тензорезисторе имеются выводные проводники. Некоторые конструкции тензорезисторов для удобства установки имеют подложку, расположенную между чувствительным элементом и исследуемой деталью, а также защитный элемент, расположенный поверх чувствительного элемента.
При всем многообразии задач, решаемых с помощью тензометрических измерительных преобразователей, можно выделить две основные области их использования:
· исследования физических свойств материалов, деформаций и напряжений в деталях и конструкциях;
· применение тензодатчиков для измерения механических величин, преобразуемых в деформацию упругого элемента.
Для первого случая характерно значительное число точек тензометрирования, широкие диапазоны изменения параметров окружающей среды, а также невозможность градуировки измерительных каналов. В данном случае погрешность измерения составляет 2-10%.
Принцип действия электронных весов сводится к измерению силы веса, воздействующей на тензодатчик, посредством преобразования возникающих изменений, например деформации, в пропорциональный выходной электрический сигнал.
Широкое распространение тензодатчиков объясняется целым рядом их достоинств:
· малые габариты и вес;
· малоинерционость, что позволяет применять тензодатчики как при статических, так и при динамических измерениях;
· обладают линейной характеристикой;
· позволяют дистанционно и во многих точках проводить измерения;
· способ установки их на исследуемую деталь не требует сложных приспособлений и не искажает поле деформаций исследуемой детали.
Недостаток: заключающейся в температурной чувствительности, можно в большинстве случаев скомпенсировать.
Все существующие преобразователи можно разделить на три основных типа:
· проволочные;
· фольговые;
· пленочные.
Материалы для тензорешеток должны удовлетворять следующим требованиям:
· иметь высокое удельное сопротивление, позволяющее изготавливать малобазные тензорезисторы с достаточно большим сопротивлением;
· обладать высокой и стабильной чувствительностью к деформации; изменения сопротивления, вызванные деформацией, должны подчиняться линейному закону в достаточно широком диапазоне;
· быть нечувствительным к влиянию температуры, т.е. температурный коэффициент сопротивления должен быть близким к нулю;
· термоЭДС в паре с медью должна быть как можно меньше, что очень важно при питании тензорезисторов постоянным током;
· температурные коэффициенты линейного расширения материала проволоки и материала исследуемой детали, на которую наклеивается тензорезистор, должны быть равными или незначительно отличаться, в противном случае изменения температуры будут вызывать кажущуюся деформацию и, следовательно, создавать погрешности при измерениях;
· не иметь гистерезиса; обладать технологичностью, позволяющей изготавливать фольгу микронных размеров;
· иметь высокое отношение предела пропорциональности к модулю упругости;
· сплавы, применяемые для изготовления высокотемпературных тензорезисторов, должны хорошо противостоять окисляющему воздействию внешней среды
БАЗА l – длина чувствительного элемента решетки тензорезистора в мм. Выпускаются датчики с базой от 0,2 до 150 мм.
Номинальное сопротивление R – значение активного сопротивления чувствительного элемента (решетки) тензорезистора в Ом. Сопротивление тензорезисторов промышленного производства составляет 10...1000 Ом.
Рабочий ток питания Iр – допустимый ток в мА, при котором не происходит заметного нагрева тензорезистора, могущего повлиять на свойства тензочувствительного элемента (решетки), основы и клеевого соединения. Чем больше ток, проходящий через решетку тензорезистора, тем выше уровень электрических сигналов, в которые преобразуется измеряемая дефор- 18 мация. Поэтому с точки зрения увеличения чувствительности измерительной схемы желательно пропускать через тензорезистор как можно больший ток.
Предел измеряемой деформации εmax – наибольшее значение относительной деформации в мкм/м (или в процентах), в отношении которой завод-изготовитель гарантирует надежную работу тензорезисторов и строгую линейность их характеристики преобразования. Правильно наклеенный тензо- резистор обладает практически линейной характеристикой и обеспечивает достаточно высокую точность измерений, если деформация не превышает уровня ± 0,3%.
Нелинейность – под нелинейностью понимается максимальное от- клонение реальной передаточной функции от аппроксимирующей прямой ли- нии (рис. 4). Рис. 4. Характеристика циклического деформирования тензорезистора (масштаб условный)
Смещение нуля – отрицательный выходной сигнал датчика после снятия нагрузки.
Гистерезис представляет собой разность значений выходного сигнала тензорезистора при одних и тех же уровнях входного сигнала, полученных при нагружении и разгрузке объекта.
2. Коэффициент чувствительности тензодатчика.
Коэффициент тензочувствительности, или чувствительность тензорезистора, определяется как отношение относительного приращения сопротивления наклеенного тензорезистора к относительной деформации образца, измеренной в направлении оси тензорезистора:
Этот важнейший параметр датчика отражает поведение системы «решетка – основа – клей» и несколько отличается от аналогичного параметра для мате- риала решетки, который был введен ранее и обозначался буквой S
3. Материалы для тензодатчиков.
Материал любой: хоть Ме, хоть п/пр. Только надо учитывать: у п/прRбольшое → Толщину можно брать побольше, а у МеRочень маленькое (по сравнению с п/пр) → пленку Ме надо брать очень-очень тонкую
4. Область применения тензодатчика.
Тензорезисторы используются в качестве первичных преобразователей в тензометрах и тензостанциях при измерениях механических величин (деформации, силы, крутящего момента, перемещения, также, для измерения давления в манометрах и пр.)
ДАТЧИК ХОЛЛА
Холловские концы расположены на эквипотенциальной поверхности. Поэтому, когда поля нет, на них ничего нет. Пластинка может быть п/п или металлической.
1. Требования, предъявляемые к материалам для датчиков.
2. Устройство.
3. Область применения.
