Похожие презентации:
Физические эффекты в технических системах. Лекция 6
1.
Физические эффекты втехнических системах
Лекция 6
2.
Классификация ФЭ• Известно множество ФЭ, обеспечивающих передачу и
преобразование энергии, модификацию результатов физ
воздействия, преобразование физ объектов.
Можно разделить на 2 вида:
• Внешние эффекты приводят к изменению физ объекта и его поля
под воздействием воспринимаемой физ величины. (Пример:
отклонение рамки с током в магнитном поле).
• Внутренние эффекты позволяют получить непосредственную
функциональную связь между изменением воздействия исходной
физ величины и электрическими, магнитными и другими
свойствами и параметрами вещества. Делятся на 2 вида:
• Простые внутренние эффекты – эффекты, когда выходной сигнал
появляется в результате только одного воздействия, тогда как другие
воздействия считаются несущественными.
• Сложные внутренние эффекты – когда естественный выходной
сигнал определяется результатом действия не менее 2-х различных
внешних воздействий на вещество.
3.
Физические эффектыакустоэлектрического преобразователя
• Акустоэлектрический преобразователь устройство,
преобразующее акустическую энергию, т.е. энергию упругих
волн в воздушной среде в электромагнитную энергию.
4.
Проявление акустоэлектрического эффекта обусловленоналичием в составе физ объектов двух типов структурных
элементов:
• Элементов, взаимодействующих с внешним воздействием.
• Элементов, обладающих физ полем, соответствующим
результату воздействия.
Степень возможной опасности создания акустоэлектрического
канала утечки информации зависит от коэф-та преобразования
- чем он выше, тем больше мощность (напряжение) Рэс
преобразованного в электрический опасного сигнала при
одинаковой мощности Рас акустического сигнала:
Классификация акустоэлектрических преобразователей:
1. индуктивные генераторные преобразователи.
2. емкостные преобразователи.
3. пьезоэлектрические преобразователи.
4. Тензорезистивные преобразователи.
5.
Индуктивные генераторныепреобразователи
Три группы:
• Электромагнитные
• Электродинамические
• Магнитострикционные
• Действие преобразователей 1 вида основано на колебании
ферромагнитного сердечника в переменном магнитном
поле или изменении магнитного потока при движении
сердечника.
6.
• Принцип преобразования состоит в индуцировании ЭДСсигнала в обмотке катушки при изменении магнитного
потока под действием упругой звуковой волны, при этом
ЭДС электрического сигнала в обмотке равна
• Где Рас – давление акустического сигнала, S1 – площадь
полюсного наконечника со стороны зазора, S –площадь
якоря, V – магнитодвижущая сила постоянного магнита, n число витков, а – величина зазора между сердечником
электромагнита и якорем, 0 – магнитная постоянная, Zм –
механическое сопротивление, связанное с величиной
трения движущего якоря.
7.
• Электродинамический преобразователь – индукционная система,электрический контур которой перемещается в магнитном поле,
порожденном внешним по отношению к контуру источником МДС.
Источник – электромагнит или постоянный магнит, входящий в
состав магнитной цепи системы.
• Действие основано на электродинамическом эффекте, который
проявляется в возникновении ЭДС перемещения, наводимой в
электродинамических системах при перемещении контура.
• Уравнение чувствительности:
• Где В – индукция постоянного равномерного магнитного поля, l – длина
проводника (контура), S – его площадь, Zм – механическое сопротивление.
• Величина ЭДС опасного сигнала:
8.
• Механическое сопротивление одноконтурной механическойсистемы:
• Где F – действующая на проводник сила, V –колебательная
скорость, r – активное сопротивление (трение), m - массы
провода, См – гибкость(м/Н).
• Магнитострикционный преобразователь – преобразователь,
использующий прямой эффект магнитострикции и обратный
эффект магнитострикции, называемый магнитоупругим
эффектом или эффектом Виллари.
• Магнитострикция – изменение размеров и формы
кристаллического тела при намагничивании – вызывается
изменением энергетического состояния кристаллической
решетки в магнитном поле и, как следствие, расстояний
между узлами решетки.
• Эффект Виллари – изменение намагниченности магнетика
под действием механических деформаций.
9.
• Магнитострикционный преобразователь представляет собойсердечник из магнитострикционных материалов с нанесённой
на него обмоткой.
• В подобном преобразователе протекающий по обмотке
переменный ток от внешнего источника создает в сердечнике
переменное магнитное поле (намагниченность), которое
вызывает его механические колебания. И наоборот, колебания
сердечника преобразователя под действием внешней
переменной силы звукового поля преобразуются в переменную
намагниченность, наводящую в обмотке переменную ЭДС:
Где G – магнитострикционный модуль, n - число витков.
10.
• Резонансная частота f0 радиальных колебаний сердечника ввиде кольца или цилиндра с радиусом r0
Где Е – модуль Юнга, - плотность
материала сердечника.
• Интенсивность I излучения преобразователей на резонансной
частоте:
При изменении процентного содержания кремния в сплавах с никелем можно
существенное уменьшить магнитострикционную составляющую чувствительности
сплава (и величину опасного сигнала). Также используют комбинированную систему
уменьшения коэф-та преобразования за счет заливки трансформатора.
11.
Емкостные и пьезоэлектрическиепреобразователи
• Простейшим емкостным акустоэлектрическим
преобразователем является электрический конденсатор, одна
пластина которого подвижная, другая закреплена
неподвижно.
• Действие основано на изменении силы притяжения обкладок
конденсатора при изменении напряжения на нем и на
изменении положения обкладок конденсатора относительно
друг друга под действием, например, акустических волн.
Коэф-т преобразования:
Где U0 – напряжение, приложенное к пластинам конденсатора, S – площадь пластин, d –
зазор между пластинами, Zм – механическое сопротивление системы, - частота
воздействующего поля.
12.
13.
• Пьезоэлектрический преобразователь является генераторнымпреобразователем, вырабатывающим ЭДС. Представляет собой
электрический
конденсатор,
состоящий
из
пластины
пьезоэлемента, т.е. кристалла из пьезоэлектрика определённых
размеров, геометрической формы и ориентации поляризации его
кристаллической решетки и электродов из проводящего материала,
наложенных на грани пластины.
• При действии на кристалл силы F в определенном направлении
кристаллическая решетка деформируется, расстояния между
положительными и отрицательными ионами изменяются, кристалл
электризуется в этом направлении.
• q – заряд, d – пьезоэлектрический модуль
14.
• Напряжение на электродах• Если преобразователь имеет форму пластины:
15.
Тензорезистивный преобразователь• К этому классу относятся необратимые приемники звука,
принцип действия которых основан на применении
электрического сопротивления чувствительного элемента под
действием механических деформаций приложенного
воздействия звуковым полем.
- Относительное изменение сопротивления
- Относительная упругая деформация, - коэф-т Пуассона
16.
• Качество тензорезистора определяется его коэффициентомтензочувствительности К и величиной температурного
коэффициента сопротивления (ТКС) R .
• Чем выше коэф-т К и меньше ТКС материала, тем выше его
качество.
ЭФФЕКТ ХОЛЛА
Эффектом Холла называется появление в проводнике с током
плотностью j, помещенном в магнитное поле с
напряженностью Н, электрического поля Ех (поля Холла),
перпендикулярного Н и j.
Где - угол между векторами Н и j (< 180 градусов),
R – коэф-т Холла
17.
• Данный физ эффект позволяет осуществлять бесконтактныйсъем информации с линий связи.
• Датчик Холла представляет собой небольшую
полупроводниковую пластину, длина которой l значительно
больше ширины b и толщины d. Ток:
• На середине боковых граней, перпендикулярно току,
расположены электроды, между которыми измеряется ЭДС
Холла (разность потенциалов):
• Появление эффекта Холла объясняется взаимодействием
носителей тока (электронов проводимости и дырок) датчика
со сторонним магнитным полем, например, создаваемым
электрическим током, распространяющимся по линии связи.
• Плотность тока в проводнике:
Где Vдр –дрейфовая скорость, n – концентрация носителей.
• При наложении магнитного поля на носители
действует сила Лоренца:
18.
• Коэф-т Холла:• Подвижность носителей заряда:
• Удельная электропроводность:
m – эффективная масса носителей.
- среднее время между двумя последовательными
соударениями с рассеивающими центрами.
19.
ФЭ акустооптического и оптикоэлектрического преобразователя• Для преобразования акустического сигнала в оптический
могут быть использованы следующие ФЭ:
1) эффект изменения светопроводимости под действием
механической силы, деформирующей световод
(оптоволокно),
2) Эффект звуколюминесценции, который проявляется в
возникновении вспышек света при схлопывании
кавитационных пузырьков, рожденных в жидкости мощной
ультразвуковой волной,
3) Эффект модуляции оптического (лазерного) луча
поверхностью отражения, деформируемой звуковыми
колебаниями. Съем звуковой информации возможен с
плоской поверхности (стекла), колеблющейся под действием
акустической волны, лазерным лучом в ИК-диапазоне, что
обеспечивает невидимость его невооруженным глазом.
20.
21.
• После отражения от стекла модулированный по амплитуде ифазе лазерный луч принимается приемником ИК-излучения,
преобразуется в электрический сигнал и после
соответствующей обработки преобразуется в акустический
сигнал, несущий интересующую информацию.
22.
ФЭ оптико-электрическогопреобразователя
• Пироприемники и фотоприемники. Оптико-электрические
преобразователи делятся на прямые и обратные.
• В прямых преобразователях происходит преобразование
видимых, инфракрасных или ультрафиолетовых излучений в
изменения электрической энергии на выходе, поэтому могут
называться приемниками света. Используются для
обнаружения источников излучения; для определения
интенсивности и температуры излучения объектов
(пирометрия).
• В обратных преобразователях происходит преобразование
электрической энергии в электромагнитные излучения.
Используются в качестве световых индикаторов.
23.
Классификация прямых оптикоэлектрических преобразователях1) Тепловые приемники оптического излучения, которые
реализуют принцип двукратного преобразования. Сначала
энергия или мощность оптического излучения преобразуется
в тепло, затем – преобразование чувствительным элементом
теплового потока в изменение электрических величин.
Приемник состоит из приемного (поглотительного) и
чувствительного элементов (ЧЭ). Примеры: термоэлементы,
болометры, пироприемники.
2) Фотонные (фотоэмиссионные, фотоэлектрические)
приемники оптического излучения, которые реализуют
принцип однократного преобразования. При этом
изменение энергии или мощности оптического излучения,
воспринимаясь фоточувствительным слоем ЧЭ приемника
преобразуется в изменение фотоЭДС или фототока или
величину электрического сопротивления. Примеры:
фотодиоды, фоторезисторы, фотоэлектронные умножители.
24.
• Пироэлектрический приёмник – приемникэлектромагнитного излучения оптического диапазона,
действие которого основано на пироэлектрическом эффекте,
т.е. на температурной зависимости спонтанной поляризации
пироэлектриков, обусловленной его внутренней структурой.
25.
Фотоприемники• Основой фотонного принципа преобразования интенсивности
оптического излучения является поглощение фотона приемной
поверхностью датчика, сопровождаемое электрически
регистрируемым переходом носителей заряда на более
высокие энергетические уровни. Этот процесс происходит в
приемнике оптического излучения и называется
фотоэффектом, такие приемники – фотоприемниками.
• Фотоприемники делятся на две группы: с внешним и
внутренним фотоэффектом.
• Фотоприемники, основанные на внешнем фотоэффекте –
фотоэмиссионные приборы: фотоэлементы, фотоэлектронные
умножители (ФЭУ), электронно-оптические преобразователи,
телевизионные трубки.
• Фотоприемники, основанные на внутреннем фотоэффекте:
фотоэлектрические полупроводниковые приемники или
приемники с р-n-переходами.
26.
Преобразование инфракрасногоизлучения в видимое излучение
• Инфракрасное излучение – электромагнитное излучение ,
занимающее спектральную область между красным концом
видимого света (с длиной волны 7,5*10 в степени -7 и
микроволновым радиоизлучением 1*10 в степени -3 м.
27.
• Диапазон инфракрасного излучения:1) коротковолновая область: = 0,74 – 2,5 мкм,
2) Средневолновая область: = 2,5 – 50мкм,
3) длинноволновая область: = 50 – 1000 мкм.
Инфракрасное излучение также называют тепловым излучением, т.к. все тела, нагретые
до определенной температуры излучают энергию в инфракрасном спектре.
Основу приборов ночного видения составляет электронно-оптический
преобразователь, преобразующий невидимое изображение объекта наблюдения в
видимое.
28.
• Действие ЭОП основано на явлениях внешнего и внутреннегофотоэффектов.
• Внешний фотоэффект (фотоэлектронная эмиссия) состоит в
испускании электронов из твердого тела – фотокатода , в
вакуум под действием квантов ИК-излучения.
• Внутренний фотоэффект (фотопроводимость) состоит в
изменении электропроводности полупроводников под
действием квантов излучения оптического диапазона.
Примеры: фоторезисторы, фотодиоды.