Поиск

Полнотекстовый поиск:
Где искать:
везде
только в названии
только в тексте
Выводить:
описание
слова в тексте
только заголовок

Рекомендуем ознакомиться

Промышленность, производство->Реферат
Делопроизводство в современной Италии существует с начала XIX века – с тех времен, когда Итальянские государства находились во власти Наполеоновской Ф...полностью>>
Промышленность, производство->Реферат
Трубное и межтрубное пространства в аппарате разобщены, а каждое из этих пространств может быть разделено при помощи перегородок на несколько ходов. П...полностью>>
Промышленность, производство->Книга
В паровых котлах тепловых электростанций химическая энергия топлива преобразуется в тепловую энергию продуктов сгорания топлива (дымовых газов), что в...полностью>>
Промышленность, производство->Книга
Учебное пособие предназначено для использования студентами электротехнических специальностей в процессе изучения курса релейной защиты и автоматизации...полностью>>

Главная > Реферат >Промышленность, производство

Сохрани ссылку в одной из сетей:
  1. ПОСТРОЕНИЕ, СВОЙСТВА И ОСНОВЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СПМИ

  1. Особенности электро-физических процессов в СПМИ

Успехи, достигнутые за последнее время в освоении инфракрасного (ИК) диапазона электромагнитного спектра, привели к созданию разнообразной аппаратуры научного, промышленного и военного назначения [1], незаменимыми элементами которой являются приемники излучения. При этом одной из важных проблем становится измерение малых уровней поглощаемой мощности ИК-излучения и включение этих измерений в состав автоматизированных систем. Существующие сенсоры поглощаемой мощности не в полной мере удовлетворяют современным требованиям, предъявляемым к измерительным и регистрирующим устройствам ИК-диапазона. В основном это связано с недостаточно высокой чувствительностью приемников ИК-излучения. В связи с этим, перспективным является применение новых материалов, технологий и элементов микроэлектроники. В работе приведены результаты исследований по созданию сенсоров на базе тепловых методов, обладающих высокой чувствительностью к поглощаемой мощности ИК-излучения. Упрощенная конструкция сенсора приведена на рис.1.

Сенсор содержит чувствительный элемент (ЧЭ) - черненную пленку золота, управляющий элемент (УЭ) в виде пленки пироэлектрика и исполнительный элемент (ИЭ) в виде комбинированной транзисторной структуры. Работа сенсора основана на изменении выходного параметра ИЭ в результате изменения потенциала на электроде, электрически связанном с пироэлектриком. Нагрев пироэлектрика происходит за счет преобразования мощности ИК-излучения в теплоту с помощью ЧЭ.

Пироэлектрический датчик поглощаемой мощности уже рассматривался в работе [2]. Здесь мы рассмотрим несколько другой подход к получению пироэлктрического сигнала с использованием публикаций по теории пироэлектрических передающих трубок [3]. Падающее излучение имеет постоянную мощность и интенсивность. Выведем аналитическое выражение для пироэлектрического тока и напряжения на входе ИЭ.

Пироэлектирческий ток ip определяется изменением степени поляризации во времени [3]:

, (1)

где А - площадь ЧЭ, Т - мгновенная температура, t - время, Рs - степень поляризации, р - пироэлектирческий коэффициент.

Уравнение сохранения энергии [2]

, (2)

где Wпогл - поглощаемая ЧЭ мощность, Wотв - мощность отводимая от УЭ, дополним новым слагаемым Wнак - мощностью накопленной в пироэлектрике. Тогда (1) приобретает вид:

, (3)

где

, (4)

, (5)

. (6)

В (3)-(6) h - коэффициент эмиссии сенсора, r - плотность пироэлектрического материала, DТ- разность температур между ЧЭ и ИЭ, d - толщина пироэлектрика, a - теплоотдача посредством теплопроводности и излучения.

Подставив (4)-(6) в (3) получим дифференциальное уравнение первого порядка :

. (7)

Решение уравнения (6) при начальном условии DТ(t=¥)=0 будет иметь вид:

, (8)

где t - постоянная не зависящая от температуры и времени :

. (9)

Теперь по уравнению (1) находим мгновенное значение тока пироэлектрика:

. (10)

1
  1. ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ РАЗРАБОТКИ СЕНСОРОВ ПОГЛОЩАЕМОЙ

МОЩНОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ

1.1. Современное состояние и основные направления развития сенсоров поглощаемой мощности излучений

1.1.1. Обзор методов, на которых основывается работа сенсоров поглощаемой мощности

В сенсорах поглощаемой мощности энергия электромагнитных колебаний преобразуется в тепловую, механическую энергию или в электрический сигнал, доступный для дальнейшего преобразования и измерения.

В измерителях мощности применяют следующие виды сенсоров:

  1. тепловые - калориметрические (в том числе сухие калориметры), болометрические (термисторные), термоэлектрические и др.;

  2. пондеромоторные;

  3. электронные - детекторные на вакуумных и полупроводниковых диодах, газоразрядные, на основе эффекта "горячих" носителей, эффекта Холла и др.;

  4. ферритовые, использующие эффект ферромагнитного резонанса.

Тепловые методы основаны на преобразовании энергии излучений в тепловую энергию с последующим измерением приращения температуры рабочего тела, в котором происходит преобразование, или величины замещающей мощности постоянного тока, вызывающей эквивалентное приращение температуры рабочего тела. В основе метода лежит уравнение

где Qт - количество теплоты, Дж; Сt - теплоемкость рабочего тела, Дж/ оС; q - приращение температуры рабочего тела, оС; t - время, с.

Возможность калибровки тепловых приборов на постоянном токе способствует достижению высокой точности измерений мощности. При конструировании тепловых приборов особое внимание обращают на время установления показаний, которое в основном определяется тепловой инерционностью элементов системы. Время установления теплового равновесия системы пропорционально произведению теплоемкости рабочего тела на тепловое сопротивление между ним и средой. Следовательно, уменьшить время установления показаний можно уменьшая оба влияющих фактора.

Уменьшить время установления показаний можно также применяя метод замещения. Метод основан на допущении, что замещающая мощность и поглощаемая мощность создают одинаковый тепловой эффект в рабочем теле. Перед измерением рабочее тело предварительно разогревают постоянным (переменным) током до определенного теплового состояния. После подачи измеряемого сигнала мощность постоянного (переменного) тока уменьшают на такую величину, чтобы состояние рабочего тела осталось неизменным. При этом приращение мощности постоянного (переменного) тока, получившое название замещающей, принимают равным измеряемой мощности. Таким образом, при замещении суммарная мощность, подводимая к рабочему телу до начала измерений и при измерении, остается неизменной. Это обуславливает постоянство температуры рабочего тела, а следовательно, и исключает в первом приближении зависимость времени измерения от тепловых характеристик рабочего тела. Метод замещения широко применяют в термисторных и калориметрических сенсорах. Обычно процесс замещения автоматизирован.

Пондеромоторный метод является является абсолютным методом измерения мощности излучений, поскольку результат может быть определен на основании прямого измерения массы, длины и времени. Метод основан на использовании эффекта механического (пондеромоторного) воздействия сил электро-магнитного поля на элементы сенсоров. Пондеромоторный метод может быть применен вплоть до миллиметрового диапазона длин волн. Однако, отдельные приборы имеют сравнительно узкий диапазон частот. Достоинства метода:

  1. высокая точность ( погрешность измерений порядка 0.7 - 1.5 %) [1];

  2. хорошая перегрузочная характеристика : приборы не выходят из строя при значительном превышении измеряемой мощности (чувствительные элементы при перегрузке устанавливаются в крайнее положение).

Недостатки пондеромоторного метода :

  1. повышенная чувствительность к вибрациям и тряске;

  2. малая надежность;

  3. необходимость высокой точности изготовления элементов механической конструкции;

  4. узкополосность;

  5. неприменимость метода в жестких условиях эксплуатации.

Таблица 1.1.

Характеристики электронных методов измерения мощности излучений

Название метода

Достоинства

Недостатки

1

2

3

Детекторные

Простота, высокая надежность

Низкая точность измерений, ограниченный диапазон рабочих частот, зависимость показаний от величины гармонических составляющих в измеряемом сигнале

Методы, основанные на использовании эффекта образования термо-э.д.с. горячих носителей тока в полупроводниковых элементах

Применимость для измерения как импульсной мощности, так и мощности сигнала непрерывной генерации, возможность калибровки сигналом непрерывной генерации

Малый динамический диапазон, большая температурная зависимость, необходимость калибровки по образцовому прибору

1

2

3

Методы, основанные на использовании эффекта Холла

Малая инерционность, измерение импульсной мощности и сигналов непрерывной генерации, диапазон измеряемой мощности до десятков ГГц

Низкая чувствительность, малая точность, зависимость от температурных воздействий, малый динамический диапазон

В настоящее время существует большое количество электронных методов измерения мощности излучений. Характеристики основных разновидностей таких методов приведены в табл. 1.1. Вследствие широкого применения твердотельной электроники во всех отраслях науки и техники, большой интерес представляют методы, основанные на использовании различных эффектов в полупроводниках: эффектов "горячих" носителей, Холла, термо- и -фото э.д.с. и др. Но специфика этих явлений не позволяет пока создать универсальный сенсор, способный функционировать в широком диапазоне длин волн излучений.

Ферритовые элементы обладают свойством резонансного поглощения энергии ВЧ электромагнитного поля. Ферритовые приемные преобразователи обладают следующими достоинствами:

  1. высокая надежность и устойчивость к перегрузкам, стабильными параметрами в течение длительного времени;

  2. избирательность: т.е. использование для измерения мощности в присутствии мешающих сигналов;

  3. направленность;

  4. для измерения мощности как непрерывных, так и импульсных сигналов.

К недостаткам ферритовых элементов можно отнести :

  1. сложность в управлении измерительными приборами;

  2. сравнительно большая инерционность ( 0.1 - 10 с.);

  3. температурная зависимость резонансной частоты феррита.

Сравнивая применимость методов измерения поглощаемой мощности, следует отметить, что только тепловые методы измерений могут обеспечивать измерение сигналов в широком диапазоне длин волн: от СВЧ до видимой части спектра оптического излучения.



Загрузить файл

Похожие страницы:

  1. Солнечная энергетика (5)

    Реферат >> Биология
    ... концентрацией соли. В обычном водоеме поглощаемая солнечная энергия нагревает в основном ... встраивать в самую разнообразную технику — сенсоры и датчики, медицинские имплантаты и ... на 200 МВт генерируемой мощности). Разработкой проекта займутся Mitsubishi и ...
  2. Экология и безопасность жизнедеятельности (1)

    Реферат >> Экология
    ... разнообразными способами детектирования и химическими сенсорами. Контрольные вопросы 1. Что такое ... (БПК) – количество кислорода, поглощаемое микроорганизмами в сточных водах. За ... меньшей мощности, но есть разработки и проекты на большие мощности. Основные ...
  3. Общая и неорганическая химия

    Учебное пособие >> Химия
    ... количеств выделяющейся, или поглощаемой теплоты, а также ... разряда и удельную мощность, горизонтальную разрядную кривую ... сущности явлений коррозии, разработка мер, препятствующих ... химических источников тока, электрохимических сенсоров и т. п., основано ...
  4. Нанотехнологии (2)

    Закон >> Биология
    ... что углекислый газ поглощаемый наноматериалом может быть использован ... с помощью модифицирования сенсора различными биологическими молекулами ... Для достижения большей мощности и скорости вычислений ... для применения в разработке новых материалов, связи ...

Хочу больше похожих работ...

Generated in 0.0028109550476074