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:

QП = ПI, (3.10)

где QП– теплота Пельтье, которая на одном спае выделяется (нагрев), а на другом поглощается (охлаждение), Дж;

I – протекающий ток, А;

– 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 = 0,24I2R,(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 Bi2Te3Sb2Se3и 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 ~103) 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 – 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 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.

Гистерезиспредставляет 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.