Физические принципы работы датчиков

 

1.2.1. Используемые физические эффекты

 

Физические параметры, явления и эффекты, используемые для преобразования неэлектрических величин в электрические сигналы (физика работы датчиков): заряды, поля, потенциалы, ёмкости, сопротивления, магнетизм, индукция, пьезоэлектрический эффект, эффект Холла, Зеебека, Пельтье, звуковые волны, температурные и тепловые явления материалов, теплопередача, световое взаимодействие, биофизические параметры человека и др. [2,3,6]

Основные принципы функционирования современных датчиков и их особенности приведены в табл. 1.

Таблица 1

Основные физические принципы функционирования датчика

 

Эффект или явление	Преобразование	Сущность
Закон Фарадея и Генри	Магнитное поле – электричество	Способность изменяющего магнитного поля индуцировать в проводнике электрический ток
Пьезоэлектрический эффект	Давление – электричество	Возникновение разности потенциалов на гранях сегнетоэлектрика, находящегося под давлением
Пироэлектрический эффект	Температура – электричество	Возникновение электрозарядов на гранях кристаллов при повышении температуры

 

Продолжение табл. 1

Эффект или явление	Преобразование	Сущность
Эффект Зеебека	Температура – электричество	Возникновение ЭДС в цепи с биметаллическими соединениями при разной температуре слоев
Термоэлектрический эффект	Тепловая энергия – электроны	Испускание электронов при нагревании металла в вакууме
Электротермический эффект Пельтье	Электричество – тепловая энергия	Поглощение (генерация) тепловой энергии при электротоке в цепи с биметаллическими соединениями
Электротермический эффект Томсона	Температура и электричество – тепловая энергия	Поглощение (генерация) тепловой энергии при разных температурах участков в однородной цепи
Теплопроводность	Тепловая энергия – изменение физических свойств	Переход тепла внутри объекта в область с более низкой температурой
Тепловое излучение	Тепловая энергия – инфракрасные лучи	Оптическое излучение при повышении температуры объекта
Фотогальванический эффект	Свет – электричество	Возникновение ЭДС в облучаемом светом p - n переходе
Эффект фотопроводимости	Свет – электросопротивление	Изменение электросопротивления полупроводника при его облучении светом
Эффект Зеемана	Свет, магнетизм – спектр	Расщепление спектральных линий при прохождении света в магнитном поле
Эффект Рамана (комбинационное рассеяние света)	Свет – свет	Возникновение в веществе светового излучения, отличного по спектру от исходного монохроматического
Эффект Поккельса	Свет и электричество – свет	Расщепление светового луча на обыкновенный и необыкновенный при прохождении через пьезокристалл с приложенным к нему электронапряжением
Эффект Керра	Свет и электричество – свет	Расщепление светового луча на обыкновенный и необыкновенный в изотопном веществе с приложенным к нему электронапряжением
Эффект Фарадея	Свет и магнетизм – свет	Поворот плоскости поляризации светового луча при прохождении через парамагнитное вещество
Эффект Холла	Магнетизм и электричество – электричество	Возникновение разности потенциалов на гранях твердого тела при пропускании через него электротока и приложении магнитного поля
Эффект Доплера	Звук, свет – частота	Изменение частоты при взаимном перемещении объектов

 

 

Продолжение табл. 1

Эффект или явление	Преобразование	Сущность
Магнитосопротивление	Магнетизм и электричество – электросопротивление	Увеличение электрического сопротивления твердого тела в магнитном поле
Магнитострикция	Магнетизм – деформация	Деформация ферромагнитного тела в магнитном поле
Закон Био–Савара–Лапласа	Электрический ток – магнитное поле	При протекании по электропроводнику электрического тока вокруг него в пространстве возникает магнитное поле

 

1.2.2. Физические основы оптических систем и оптоэлектронных устройств и приборов

 

Оптическое излучение представляет собой электромагнитные волны, поэтому оптика - часть общего учения об электромагнитном поле. Оптический диапазон длин волн охватывает около 20 октав и ограничен с одной стороны, рентгеновскими лучами, а с другой - микроволновым диапазоном радиоизлучения. Такое ограничение условно и в значительной степени определяется общностью технических средств и методов исследования явлений в указанном диапазоне. Для этих средств и методов характерно основанное на волновых свойствах излучения формирование изображений оптических предметов с помощью приборов, линейные размеры которых много больше длины волны излучения, а также использование приёмников света, действие которых основано на его квантовых свойствах.

Оптика – раздел физики, изучающий свойства и физическую природу света, а также его взаимодействие с веществом. Учение о свете принято делить на три части:

‑ геометрическая, или лучевая оптика, в основе которой лежит представление о световых лучах;

‑ волновая оптика, изучающая явления, в которых проявляются волновые свойства света;

‑ квантовая оптика, изучающая взаимодействие света с веществом, при котором проявляются корпускулярные свойства света.

Геометрическая оптика– это раздел оптики, изучающий законы распространения света в прозрачных средах и отражения света от зеркальных или полупрозрачных поверхностей.

Основные законы геометрической оптики: закон прямолинейного распространения света, закон отражения и преломления света, закон независимости световых пучков, зеркальное и диффузное отражение, закон независимости световых пучков.

Волновая оптика изучает явления, в которых проявляются волновые свойства света. Интерференция – один из двух путей переноса энергии в пространстве. Это явление происходит при взаимодействии двух и более волн одинаковой частоты, распространяющихся в разных направлениях. При встрече двух волн в противофазе наблюдается штиль, деструктивная интерференция (мёртвая точка); при совпадении по фазе – удваивание амплитуды, конструктивная интерференция. На основе этого явления создан интерферометр: один луч разбивается на два синфазных луча. Смещение интерференционной картины позволяет отслеживать положение луча.

Дифракция – в основе лежит принцип Гюйгенса, т. е. каждая точка на пути распространения луча может являться новым источником вторичных волн.

Квантовая оптика – раздел оптики, изучающий явления, в которых выражается корпускулярная природа света. Одна из главных проблем ‑ описание взаимодействия света с веществом с учетом квантовой природы объекта, а также исследований света в специальных природных условиях. [3,5]

Оптоэлектроника ‑ важная самостоятельная область функциональной электроники и микроэлектроники. Существенная особенность оптоэлектронных устройств состоит в том, что элементы в них оптически связаны, а электрически изолированы друг от друга.

Оптоэлектроника охватывает два основных независимых направления – оптическое и электронно-оптическое.

Оптическое направление базируется на эффектах взаимодействия твёрдого тела с электромагнитным излучением. Оно опирается на голографию, фотохимию, электрооптику и другие явления. Оптическое направление иногда называют лазерным.

Электронно-оптическое направление использует принцип фотоэлектрического преобразования, реализуемого в твёрдом теле посредством внутреннего фотоэффекта, с одной стороны, и электролюминесценции, с другой. В основе этого направления лежит замена гальванических и магнитных связей в традиционных электронных цепях оптическими. Это позволяет повысить плотность информации в канале связи, а также его быстродействие и помехозащищенность.

Оптоэлектронный прибор - это устройство, в котором при обработке информации происходит преобразование электрических сигналов в оптические и обратно.

Основным элементом оптоэлектроники является оптрон ‑ электронный прибор, состоящий из излучателя света (обычно ‑ светодиод, в ранних изделиях ‑ миниатюрная лампа накаливания) и фотоприёмника (биполярных и полевых фототранзисторов, фотодиодов, фототиристоров, фоторезисторов), связанных оптическим каналом и, как правило, объединённых в общем корпусе (рис.1).

 

Принцип работы оптрона заключается в преобразовании электрического сигнала в свет, его передаче по оптическому каналу и последующем преобразовании обратно в электрический сигнал. [4,8]

 

Рис. 1. Оптрон с внутренней (а) и внешними (б) фотонными связями:
1, 6 – источники света; 2 – световод; 3, 4 – приёмники света; 5 – усилитель

1.2.3. Основы электроакустики и принцип работы электроакустических преобразователей

 

Звуковыми (акустическими) волнами называются распространённые в среде упругие волны, обладающие частотами в пределах от 16 Гц до 20 кГц. Волны указанных частот воздействуют на слуховой аппарат человека и вызывают чувство звука. Источник любых колебаний – волна. Упругие волны, которые распространяются в сплошных средах, называются звуковыми.

Звуковое поле – это пространство, в котором происходит процесс звуковых колебаний. Звуковые колебания в жидкой и газообразной средах представляют собой продольные колебания, образующиеся посредством сгущения и разжижения частиц среды, двигающихся от источника колебаний со скоростью звука. Скорость звука – постоянная величина для данной среды и метеоусловий, определяющаяся соотношением

где  ‑ статическое давление среды (1,013 10⁵ Па);

 – плотность;

 – постоянная адиабаты.

Звуковой волнойназывается процесс распространения деформаций сжатия и растяжения в сплошной среде, происходящий с конечной скоростью.
Звуковое давление – это разность между мгновенным значением плотности давления и статистическим давлением среды.

Акустическое сопротивление– отношение звукового давления к скорости
колебания частиц среды, наличие реактивной составляющей свидетельствует о наличии сдвига фаз между звуковым давлением и скоростью колебаний.
Интенсивность звука– средний поток звуковой энергии, переносимый звуковой волной в единицу времени через единичную площадку перпендикулярно направлению распространения звуковой волны. [2] Логарифмическая единица уровней затуханий и усилений ‑ децибел.

Действие электродинамических преобразователей основано на электродинамическом эффекте. Электродинамическими называют индукционные системы, электрический контур которых перемещается в магнитном поле, порождённом внешним по отношению к контуру источником электродвижущей силы (ЭДС). [10]

Действие электростатических преобразователей основано на изменении силы притяжения обкладок конденсатора при изменении напряжения на нём и на изменении положения обкладок конденсатора относительно друг друга под действием, например, акустических волн.

Пьезоэлектрические преобразователи основаны на прямом и обратном пьезоэлектрическом эффекте, к ним относятся кристаллические вещества и специальные керамики, в которых при сжатии и растяжении в определенных направлениях возникает электрическое напряжение. Это прямой пьезоэффект, при обратном появляются механические деформации. [5]