Приборы для усиления малых токов. Фотоумножители. Устройство и работа сцинтилляционного счетчика.

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:

Q_П = П∙I∙τ, (3.10)

где Q_П – 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

Q_Д-Л = 0,24∙I²∙R∙τ, (3.11)

где Q_Д-Л – теплота Джоуля-Ленца, Дж;

R – сопротивление материала, Ом.

Как видим и Q_ПиQ_Д-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∙(Т_нагр. – Т_охл.), (3.12)

где U – напряжение;

А – коэффициент термо-ЭДС для данных пар полупроводниковых столбиков;

Т_{нагр .}– температура нагретого спая;

Т_охл. – 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 Н_с = 400 кА/м. Платина-кобальт-кремний – 480 кА/м. W_max (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 ε_max – 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.