Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Для повышения чувствительности фототранзистора следует увеличивать толщину базы, время жизни носителей в базе и, следовательно, выбирать материалы с высоким удельным сопротивлением. Но для повышения его граничной частоты толщину базы и время жизни носителей необходимо уменьшать. Оба элемента структуры изготовлены в одном кристалле. Параметры фотодиода выбирают из условий достижения максимальной чувствительности и быстродействия, а параметры транзистора — максимальной граничной частоты И усиления. В совокупности оба элемента эквивалентны быстродействующему фототранзистору с высоким коэффициентом усиления. [10]
За счет чего увеличивается чувствительность фототранзистора по сравнению с фотодиодом. [11]
За счет чего увеличивается чувствительность фототранзистора по сравнению с фотодиодом. [12]
Получены уравнения токов фототранзистора, позволяющие определять чувствительность фототранзистора в различных схемах включения. Рассмотрена возможность создания фототранзисторов с освещаемой эмиттерной и коллекторной областью. [13]
В заключение следует отметить, что стабильность чувствительности фототранзисторов наряду со стабилизацией режима может быть повышена за счет термо-компенсирующих элементов и отрицательной обратной связи по переменному току. [14]
Световой эквивалент шума служит для оценки порога чувствительности фототранзистора . [15]
Фототранзисторы, виды, принцип работы
Фототранзистор — это полупроводниковый прибор, который работает на основе фотоэффекта. Он состоит из полупроводникового кристалла, который может быть изготовлен из кремния, германия или других материалов.
Полезные статьи:
Фотокатоды, характеристики, принцип работы
Фототок, свойства, принцип работы
Все статьи
Фототранзисторы — это фотоприемники на полупроводниковой основе. Необходимо отличать обычные биполярные устройства от полевых фототранзисторов (фотопереходов).
Оба типа обсуждаются ниже, хотя первый гораздо более распространен. Фототранзисторы используются не так широко, как фотодиоды, при этом коммерчески доступные вариации не охватывают столь широкие области параметров с точки зрения диапазонов длин волн, квантовой эффективности, активной площади, полосы обнаружения и т.д.
Принцип работы фототранзистора
Принцип работы фототранзистора заключается в том, что при попадании света на поверхность кристалла, электроны в его структуре начинают двигаться быстрее, создавая ток. Этот ток можно использовать для управления различными электронными устройствами, такими как реле, светодиоды и т.д.
Фототранзисторы могут быть использованы для создания фотодатчиков, которые используются в системах автоматического управления, робототехнике, медицинской диагностике и других областях. Они также могут быть использованы в качестве компонентов в светодиодных лампах, солнечных батареях и других электронных устройствах.
Принцип работы фототранзистора заключается в следующем:
1. Когда на фототранзистор попадает свет, он начинает генерировать электроны и дырки в полупроводнике, которые начинают двигаться под действием электрического поля.
2. Эти электроны и дырки создают электрический ток, который проходит через эмиттерный переход, создавая напряжение на эмиттере и коллекторе.
3. Коллектор имеет большую площадь, чем эмиттер, что позволяет ему собирать больше электронов, создавая больший ток.
4. Этот ток может быть использован для управления другими электронными устройствами, такими как реле или светодиоды.
5. Фототранзисторы могут быть использованы для создания фотоэлементов, которые преобразуют свет в электричество, что может быть использовано для питания электронных устройств или для зарядки аккумуляторов.
Включение фототранзистора
Фототранзистор — это электронный прибор, который преобразует световое излучение в электрический сигнал. Он состоит из трех основных элементов: фоточувствительного элемента, транзистора и цепи обратной связи.
Когда фоточувствительный элемент (обычно кремниевый фотодиод) поглощает свет, он генерирует электрический заряд, который затем передается на транзистор. Транзистор усиливает этот заряд и передает его на цепь обратной связи, которая может быть использована для управления другими устройствами или для создания сигнала.
Процесс включения фототранзистора происходит следующим образом:
1. Подключите источник питания к фототранзистору. Обычно фототранзисторы питаются от напряжения 5 В или 12 В.
2. Подключите входной сигнал к базе фототранзистора. Входной сигнал может быть светом, звуком или другим физическим сигналом.
3. Проверьте, что входной сигнал соответствует диапазону, который может обработать фототранзистор. Обычно это от 0 до 5 В для аналоговых входов и от 0 до 32767 для цифровых входов.
4. Проверьте, что фототранзистор находится в правильной ориентации. Фототранзисторы могут быть ориентированы как на свет, так и на темноту.
5. Запустите входной сигнал и проверьте, что выходной сигнал фототранзистора изменяется в соответствии с входным сигналом.
3. После этого фототранзистор начнет генерировать электрический сигнал, который усиливается транзистором и передается на выход.
4. Выходной сигнал можно использовать для управления другими электронными устройствами, такими как реле или микроконтроллер.
5. Для выключения фототранзистора нужно просто отключить напряжение питания и сигнал на вхо де.
Характеристики фототранзистора
Выбор фототранзистора может основываться на ряде параметров и спецификаций.
Ток коллектора
Является мерой чувствительности фототранзистора. Он описывает максимально допустимую токовую нагрузку в коллекторе и измеряется в миллиамперах (мА) или амперах (А). Ток, превышающий этот параметр, может привести к повреждению фототранзистора.
Пиковая длина волны
Это значение длины волны, при котором фототранзистор наиболее чувствителен. Он измеряется в нанометрах (нм). Фототранзисторы реагируют на свет в широком диапазоне длин волн от флуоресцентных источников света или источников света с лампами накаливания.
Они работают лучше всего в сочетании с инфракрасными (ИК) светодиодными источниками света. Это связано с тем, что фототранзисторы имеют пиковую спектральную характеристику в ближнем ИК-диапазоне при длине волны около 840 нм.
Напряжение пробоя коллектор-эмиттер
Это максимальное напряжение, допустимое между коллектором и эмиттером. Превышение максимального напряжения может привести к необратимому повреждению фототранзистора.
- Напряжение пробоя сборного эмиттера обычно находится в диапазоне от 20 В до 50 В.
- Напряжение пробоя эмиттера-коллектора обычно составляет от 4 В до 6 В.
Темновой ток
Это небольшое количество тока, которое может протекать через фототранзистор, даже если он не подвергается воздействию света.
Темновой ток — это термически генерируемый ток утечки коллектора-эмиттера. Это предотвращает то, что устройство когда-либо будет считаться полностью «выключенным». Темновой ток увеличивается с температурой и измеряется в миллиамперах (мА).
Рассеиваемая мощность фототранзистора, измеряемую в ваттах или милливаттах (мВт). Фактическое рассеивание определяется умножением напряжения на транзисторе и тока через коллектор. Обычно указывается внешняя температура окружающей среды 25 ° C.
Время нарастания и спада
Являются мерами скорости отклика фототранзистора. И то, и другое выражается в наносекундах (нс).
- Время нарастания — необходимое для увеличения формы импульсного сигнала с 10% до 90% от его максимального значения.
- Время падения — необходимое для падения производительности с 90% до 10%.
Виды фототранзистров
Обозначение фототранзистора
Фототранзистор обозначается как FET (Field Effect Transistor) или CCT (Compound Semiconductor Transistor).
Обозначение фототранзисторов может различаться в зависимости от производителя и модели. Однако, обычно фототранзистор обозначается как «Q» с добавлением номера, например, «Q1», «Q2», и т.д.
Если фототранзистор имеет несколько выводов, то они могут быть обозначены как «1», «2», «3», и т.д., с добавлением буквы «E» для эмиттера, «C» для коллектора и «B» для базы. Например, обозначение фототранзистора с тремя выводами может быть «Q3EBC».
Светодиод-фототранзистор
Светодиод-фототранзистор (LED-phototransistor) — это комбинация светодиода и фототранзистора, которая используется в различных электронных устройствах для контроля света.
Светодиод — это полупроводниковый прибор, который преобразует электрический ток в свет. Светодиоды широко используются в качестве индикаторов на различных устройствах, таких как мобильные телефоны, компьютеры, телевизоры и т.д.
Фототранзистор — это полупроводниковый элемент, который имеет свойство изменять свое сопротивление в зависимости от интенсивности света, падающего на его поверхность. Фототранзисторы используются для измерения уровня света или для управления различными электронными устройствами.
Сочетание светодиода и фототранзистора позволяет создать устройство, которое может контролировать уровень света на определенном участке. Когда свет попадает на фототранзистор, он изменяет свое сопротивление, что приводит к изменению тока, протекающего через светодиод. Это изменение тока может быть использовано для управления другими электронными устройствами, такими как реле или микроконтроллеры.
В целом, светодиод-фототранзистор является очень полезным элементом в электронных устройствах, так как он позволяет контролировать уровень света и использовать его для управления другими компонентами.
Биполярные фототранзисторы
Принцип действия, повышенная чувствительность
Биполярный фототранзистор — это, по сути, электронная транзисторная структура, в которой свет извне может попадать на переход база–коллектор. Созданные электрические носители вводятся в базу, таким образом, оказывая эффект, аналогичный току базы, вводимому по проводу в обычном транзисторе. Результирующий ток коллектора демонстрирует существенное усиление, легко в 100 или более раз.
Чувствительность устройства соответственно выше, чем у фотодиода. Однако это не обязательно приводит к более высокой чувствительности обнаружения, т.е. к более низкой мощности, эквивалентной шуму, поскольку шум фототока также усиливается. То же самое относится к темновому току, протекающему даже без какого-либо падающего света.
Полоса пропускания обнаружения
Существенным недостатком концепции фототранзистора является то, что это обычно приводит к существенно более низкой скорости (полосе обнаружения), ограниченной электрической емкостью соединения коллектор–база. Типичное время нарастания и спада составляет порядка нескольких микросекунд.
Спектральные области
Фототранзисторы могут быть основаны на различных полупроводниковых материалах, таких как германий, кремний и арсенид галлия. Из-за их разной энергии запрещенной зоны они могут использоваться в разных областях с длиной волны – аналогично фотодиодам на основе тех же материалов.
Обратите внимание, что обычный транзистор также был бы светочувствительным, если бы он не был оснащен непрозрачным корпусом. Однако фототранзисторы — это не просто обычные транзисторы с прозрачным корпусом; они имеют дополнительно оптимизированные структуры, например, для эффективного освещения перехода коллектор–база.
Два или три контакта, электрические схемы
В большинстве случаев фототранзистор имеет только два вывода (для эмиттера и коллектора), но существуют также устройства с дополнительным базовым выводом. Первый тип может использоваться в электронных схемах того же типа, что и фотодиоды, например, просто последовательно с резистором, подключенным к постоянному напряжению.
Результирующее падение напряжения на резисторе в этом случае приблизительно пропорционально интенсивности падающего света. Однако использование транзисторного усилителя обеспечивает лучшую производительность.
Если имеется дополнительный вывод базы, его можно подключить через дополнительный резистор к эмиттеру. Приложенное сопротивление влияет как на чувствительность, так и на темновой ток.
Линейность и температурная зависимость
Линейность отклика (фототок против интенсивность света) фототранзистора существенно менее точна, чем у фотодиода, поскольку коэффициент усиления фототранзистора зависит от тока коллектора.
Фототок также имеет существенно более высокую температурную зависимость, чем для фотодиода, поскольку коэффициент усиления транзистора зависит от температуры.
Фотодарлингтоны
Для еще более высокой чувствительности существуют фотодарлингтоны. По аналогии с обычными транзисторами Дарлингтона, имеется дополнительный внутренний транзистор для дальнейшего умножения тока. К сожалению, пропускная способность таких устройств еще больше снижается. Время нарастания и спада обычно составляет от десятков до сотен микросекунд.
Сравнение с лавинными фотодиодами
Лавинные фотодиоды также обладают существенно повышенной чувствительностью и в этом смысле похожи на фототранзисторы. Однако принцип действия совершенно иной. В лавинообразных фотодиодах используется умножение несущей из-за лавинообразного увеличения несущей в области истощения, а не усиление, подобное транзисторам.
Для этого требуются значительно более высокие рабочие напряжения, а коэффициент умножения довольно чувствительно зависит от рабочего напряжения. Кроме того, полоса пропускания обнаружения может быть намного выше. В отличие от этого, фототранзисторы могут работать при напряжении всего в несколько вольт, и зависимость чувствительности от напряжения возбуждения не такая сильная.
Фототранзисторы с эффектом поля
П олевые фототранзисторы — это транзисторы, которыми можно управлять с помощью света. Их принципы работы и эксплуатационные характеристики существенно отличаются от таковых у биполярных фототранзисторов. Вентилю такого устройства по существу не требуется ток возбуждения, только напряжение возбуждения.
Это напряжение не обязательно обеспечивается за счет фотоэлектрического эффекта в устройстве; можно также использовать болометрические эффекты, то есть эффекты нагрева. На основе таких принципов были реализованы очень чувствительные инфракрасные детекторы.
Применение фототранзисторов
Фототранзисторы привлекательны для применений, где интерес представляет более высокая чувствительность по сравнению с чувствительностью фотодиода, в то время как возможные недостатки с точки зрения полосы пропускания и линейности обнаружения не имеют существенного значения. Это может иметь место, например, для некоторых оптоизоляторов и детекторов световых завес.
Приложения
Фототранзисторы могут использоваться для обнаружения света в ряде приложений:
- Мониторинг положения бумаги и контроль полей в принтерах и копировальных аппаратах
- Детектирование в охранных системах
- Измерение скорости и направления в энкодерах
- Дистанционное считывание показаний бытовых электросчетчиков
- Подсчет монет или других предметов
- Пульты дистанционного управления аудиовизуальным оборудованием и приборами
- Управление затвором для фотоаппаратов
- Обнаружение защитных экранов и других систем защиты
- Системы контроля качества – применяются в системах контроля качества, чтобы определять качество материалов или изделий.
- Медицина – используются в медицинских устройствах для контроля состояния пациента.
- Промышленная автоматизация – применяются в промышленной автоматизации для управления освещением, контроля доступа и других задач.
В целом, фототранзисторы являются важными элементами в современной электронике и находят широкое применение в различных отраслях.
Сравнительный анализ датчиков регистрации физических возмущений окружающей среды Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»
Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Майгурова Н.И., Назаренко И.Н., Федий Г.Л.
В статье проведен сравнительный анализ различных типов датчиков регистрации физических параметров окружающей среды , необходимых для функционирования модуля регистрации физических параметров среды, в том числе грозовых разрядов. Рассмотрено применение датчиков в различных условиях. Описаны основные достоинства и недостатки рассмотренных типов датчиков .
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Майгурова Н.И., Назаренко И.Н., Федий Г.Л.
Особенности построения датчиков ветра, работающих в составе объектов специального назначения
Анализ датчиков вибрации для определения колебаний железнодорожного рельса
Вибрационные измерения специальных механических систем
Сравнительный анализ методов измерения давления
Автомобильные датчики положения. Современные технологии и новые перспективы. Часть 13. Магнитостриктивные преобразователи – Актуальные измерители линейных и нелинейных перемещений и детекторы крутящего момента
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
THE COMPARATIVE ANALYSIS OF DIFFERENT SENSORS REGISTER PHYSICAL PARAMETERS OF THE ENVIRONMENT
In the article the comparative analysis of different types sensors register physical parameters required for the operation of the module registration of physical parameters of the environment , including lightning discharges is given. The application of sensors is considered under different conditions, the advantages and disadvantages are described.
Текст научной работы на тему «Сравнительный анализ датчиков регистрации физических возмущений окружающей среды»
УДК 681.586; 621.3.087.92 ГРНТИ 47.49.02
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ДАТЧИКОВ РЕГИСТРАЦИИ ФИЗИЧЕСКИХ ВОЗМУЩЕНИЙ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
ВУНЦ ВВС «ВВА имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж)
И.Н. НАЗАРЕНКО, кандидат химических наук, доцент
ВУНЦ ВВС «ВВА имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж)
ВУНЦ ВВС «ВВА имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж)
В статье проведен сравнительный анализ различных типов датчиков регистрации физических параметров окружающей среды, необходимых для функционирования модуля регистрации физических параметров среды, в том числе грозовых разрядов. Рассмотрено применение датчиков в различных условиях. Описаны основные достоинства и недостатки рассмотренных типов датчиков.
Ключевые слова: датчики; физические возмущения; окружающая среда; преобразователи.
THE COMPARATIVE ANALYSIS OF DIFFERENT SENSORS REGISTER PHYSICAL PARAMETERS OF THE ENVIRONMENT
MESC AF «N.E. Zhukovsky and Y.A. Gagarin Air Force Academy» (Voronezh)
I.N. NAZARENKO, Candidate of Chemical Sciences, Associate Professor MESC AF «N.E. Zhukovsky and Y.A. Gagarin Air Force Academy» (Voronezh)
MESC AF «N.E. Zhukovsky and Y.A. Gagarin Air Force Academy» (Voronezh)
In the article the comparative analysis of different types sensors register physical parameters required for the operation of the module registration of physical parameters of the environment, including lightning discharges is given. The application of sensors is considered under different conditions, the advantages and disadvantages are described. Keywords: sensors; physical perturbations; environment; converters.
Введение. Наряду с развитием традиционных видов оружия во многих странах большое внимание уделяется работам по созданию нетрадиционного оружия или оружия на новых физических принципах (ОНФП) [1]. Поражающее действие такого оружия основано на ранее не использовавшихся в оружии процессах и явлениях. К концу ХХ века в различных стадиях исследований и разработки находились генетическое, геофизическое, инфразвуковое, климатическое, лазерное, ускорительное, озоновое, радиологическое, сверхвысокочастотное, электромагнитное и др. Многие виды ОНФП подпадают под Конвенцию о запрещении военного или любого иного враждебного использования средств воздействия на природную среду [2] и другие международные договоры. Однако, исследования в данной области заставляют решать задачи регистрации, предупреждения и защиты от новых видов угроз. Данная задача может быть решена с помощью создания многофункциональ-
ных модулей регистрации и определения физических возмущений окружающей среды в задачах оповещения, защиты и прогноза поражающего воздействия их источников (включая ядерные взрывы).
Актуальность. В конструкцию многофункциональных модулей регистрации физических параметров окружающей среды входят датчики различных типов. На современном этапе разработок таких модулей актуальной является задача выбора наиболее подходящих преобразователей в зависимости от решаемых задач, условий окружающей среды, природы физических возмущений. Для регистрации параметров физических возмущений окружающей среды используются разнообразные датчики физических полей. Для определения оптимального набора и типов датчиков, необходимых для разработки усовершенствованного модуля регистрации физических параметров среды, требуется проведение сравнительного анализа данных типов. Поэтому ниже представлен сравнительный анализ типов существующих датчиков физических полей, которые могут быть использованы для разработки новых мобильных комплексов обнаружения и определения характеристик источников физических возмущений окружающей среды.
Назначение датчиков, входящих в состав модулей регистрации физических параметров, заключается в преобразовании внешнего физического воздействия в электрический сигнал, совместимый с измерительными схемами. Каждый датчик данного типа характеризуется набором входных параметров (любой физической природы) и набором выходных параметров.
Современные датчики регистрации физических параметров среды подразделяются по типу измерения:
— датчики вибрации, скорости и ускорения;
— детекторы световых излучений;
— детекторы радиационного излучения;
Основные достоинства и недостатки датчиков регистрации определяют области их применения.
Принцип действия любого датчика давления заключается в преобразовании давления, испытываемого чувствительным элементом, в электрический сигнал. В конструкцию практически всех преобразователей давления входят сенсоры, обладающие известной площадью поверхности, чья деформация или перемещение, возникающие вследствие действия давления, и определяются в процессе измерений. Таким образом, многие датчики давления реализуются на основе детекторов перемещения или силы, причиной возникновения которой является тоже перемещение. Датчики давления подразделяются на 5 основных типов: тензометрические датчики (КНС-преобразователи), пьезорезистивные датчики (на монокристаллическом кремнии), емкостные датчики, резонансные датчики, оптоэлектронные датчики.
Проведя сравнительную характеристику различных типов датчиков давления, были выявлены их основные достоинства и недостатки (таблица 1) [3, 4].
Таблица 1 — Основные достоинства и недостатки различных датчиков, преобразующих давление в электрический сигнал
Тензометрические датчики (КНС-преобразователи)
1. Высокая степень защиты от агрессивной среды 2. Высокий предел рабочей температуры 3. Налажено серийное производство 4. Низкая стоимость 1. Неустранимая нестабильность градуировоч-ной характеристики 2. Высокие гистерезисные эффекты от давления и температуры 3. Низкая устойчивость при воздействии ударных нагрузок и вибраций
Пьезорезистивные датчики (на монокристаллическом кремнии)
1. Высокая стабильность характеристик 2. Устойчивость к ударным нагрузкам и вибрациям 3. Низкие (практически отсутствуют) гистерезис-ные эффекты 4. Высокая точность 5. Низкая цена 6. Возможность измерять давление различных агрессивных сред 1. Ограничение по температуре (до 150°С)
1. Высокая точность 2. Высокая стабильность характеристик 3. Возможность измерять низкий вакуум 4. Простота конструкции 1. Зачастую нелинейная зависимость емкости от приложенного давления 2. Необходимо дополнительное оборудование или электрическая схема для преобразования емкостной зависимости в один из стандартных выходных сигналов
1. Высокая стабильность характеристик 2. Высокая точность измерения давления 1. При измерении давления агрессивных сред необходимо защитить чувствительный элемент, что приводит к потери точности измерения 2. Высокая цена 3. Длительное время отклика 4. Индивидуальная характеристика преобразования давления в электрический сигнал
1. Простота 2. Низкая температурная чувствительность 3. Высокая разрешающая способность 4. Высокая точность. 1. Необходимость встраивания в микропроцессорную систему, на которую возложены функции его линеаризации
Датчики вибрации, скорости и ускорения.
Ускорение — динамическая характеристика объекта. Перемещение объекта, его скорость и ускорение являются взаимосвязанными физическими величинами: скорость — это первая производная от перемещения, ускорение — его вторая производная. Однако взять производную сильно зашумленного сигнала практически невозможно, поскольку это приводит к возникновению очень больших погрешностей даже при использовании очень сложных схем обработки. Поэтому скорость и ускорение объектов нельзя определять по данным, полученным при помощи детекторов перемещений, и для этого необходимо применять специальные схемы. Как правило, в низкочастотной области (в полосе частот порядка 1 Гц) довольно хорошую точность измерений обеспечивают датчики положения и перемещения объектов. В зоне средних частот (менее 1 кГц) уже предпочтительнее использовать датчики скорости. Тогда как на высоких частотах, когда перемещения соизмеримы с уровнем шума, применяются датчики ускорения.
Скорость движения может быть либо угловой, либо линейной. Она показывает насколько быстро объект движется по прямой линии или насколько быстро он враща-
ется. Измерение скорости зависит от размеров объекта и может выражаться, например, в мм/с или миль/час. Принцип действия детекторов скорости и ускорения часто основан на измерении перемещений объекта относительно некоторого эталонного объекта, который часто входит в состав самого детектора. Поэтому чувствительный элемент, реагирующий на перемещение объекта, является одним из компонентов многих датчиков скорости и ускорения. Иногда таких элементов в составе датчиков скорости и акселерометров нет, поскольку они сами преобразуют свое движение в электрические сигналы. Например, в соответствии с законом Фарадея, магнит, двигающийся в катушке индуктивности, приводит к возникновению в ней напряжения. Это напряжение пропорционально скорости движения магнита и силе поля. Линейные датчики скорости построены на этом принципе магнитной индукции. При проведении сравнительного анализа различных типов датчиков вибрации, скорости и ускорения, выявлены их основные достоинства и недостатки (таблица 2) [5-7].
Таблица 2 — Основные достоинства и недостатки различных датчиков, преобразующих вибрации, скорость и ускорение в электрический сигнал
1. Линейность сигнала 2. Воспроизводимость сигнала при калибровке датчика 3. Точность измерений 1. Необходимо компенсировать дрейф различных параметров 2. Необходимость подавлять помехи 3. Выходной сигнал акселерометра зависит от температуры 4. Необходимость проводить калибровку датчиков во всем температурном диапазоне и осуществлять соответствующую коррекцию выходного сигнала
1. Могут измерять ускорения в широком частотном диапазоне: 0-13 кГц 2. Выдерживают перегрузку, равную 10000 g 1. Имеют высокую температурную зависимость выходного напряжения
1. Работают в частотном диапазоне менее 2 Гц-5 кГц 2. Обладают хорошим подавлением внеосевых шумов 3. Высокая линейность 4. Высокая разрешающая способность и чувствительность 1. Обладают небольшим температурным диапазоном (до 120 °С)
1. Менее подвержены влиянию электромагнитных и электростатических помех, чем датчики ускорения емкостного и пьезоэлектрического типа 2. Высокий уровень допустимых перегрузок (до 50000 g) 3. Могут определять и динамическое ускорение (например, вибрации), и статическое ускорение 4. Могут на очень низких частотах измерять субмиллиметровые сигналы ускорения 5. Быстродействие датчика 1. Чувствительность несколько ниже, чем у датчиков ускорений емкостного и пьезоэлектрического типов 2. Чувствительность выходного сигнала меняется при изменении окружающей температуры
1. Длительный срок службы (около пяти лет) 2. Имеет довольно широкий динамический диапазон (>200 дБ), 3. Способен почувствовать вибрации малой амплитуды 4. Линейность выходного сигнала 5. Выдерживают давление до 100 МПа и работают в температурном диапазоне от -40 до +125 °С 1. Реагируют преимущественно на силы, направленные вдоль вертикальной оси 2. Когда такой кабель проложен в грунте, необходимо производить его калибровку
Для работы в разных средах используются различные конструкции акустических датчиков. Например, для детектирования волн в воздухе или вибраций в твердых телах применяются микрофоны, а для работы в жидкой среде — гидрофоны. Основное отличие между обычным датчиком давления и акустическим преобразователем заключается в том, что последнему не приходится измерять постоянное или очень медленно меняющееся давление. Его рабочий частотный диапазон начинается с нескольких герц (иногда с десятков миллигерц), а заканчивается в районе нескольких мегагерц для ультразвуковых датчиков, и даже нескольких гигагерц для устройств, реализованных на поверхностных акустических волнах (ПАВ).
Поскольку акустические волны являются механическими волнами, любой микрофон или гидрофон имеет ту же основную структуру, что и датчик давления: в его состав входит диафрагма и преобразователь перемещений, преобразующий отклонение диафрагмы в электрический сигнал. Для выбора оптимальных типов преобразователей также проведен сравнительный анализ типов акустических датчиков (таблица 3) [8-10].
Таблица 3 — Основные достоинства и недостатки различных датчиков, преобразующих звуковые волны в электрический сигнал
1. Механическая обратная связь 2. Линейность сигнала 3. Высокий частотный диапазон микрофона 1. Заряд может быть получен только от дополнительного (внешнего или внутреннего) источника питания 2. Низкая чувствительность микрофона 3. Чувствительность к влажности 4. Высокая стоимость
1. Выдерживают высокие температуры нагрева и сильные вибрации 2. Обладает очень низкой температурной чувствительностью 1. Наличие движущихся механических частей, что снижает точность измерений и чувствительность устройства
1. Применяются для преобразования ультразвуковых волн 2. Обладают очень высоким выходным импедансом 3. Обладают очень высоким качеством воспроизведения 4. Не имеют авторезонанса 5. Невысокая стоимость 6. Обладают высокой чувствительностью 1. Имеют невысокий диапазон частот 2. Обладают невысокой чувствительностью
1. Для работы не требуется дополнительного источника постоянного напряжения 2. Могут работать в широком частотном диапазоне от 10-3 Гц до сотен Мгц 3. Имеют плоскую частотную характеристику (в пределах ± 1дБ) 4. Обладают: низким уровнем нелинейных искажений, высокой виброустойчивостью, хорошей реакцией на импульсное возмущение и нечувствительностью к магнитным полям. 5. Применяются для преобразования инфразвуковых волн 6. Обладают высоким импедансом 7. Невысокая стоимость. 1. Поляризация электрета уменьшается во времени и через несколько лет требуется его замена или повторная поляризация
ВСЕСТОРОННЕЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ВОЙСК (СИЛ) л. -f
Продолжение таблицы 3
Твердотельные акустические детекторы
1. Миниатюрные размеры 2. Устойчивость материалов датчика к внешним факторам (жидкости, газы) 3. Высокий коэффициент электромеханической связи с подложкой 1. Внешние воздействия (влажность, температура, механические удары, вибрации) влияют на фазовую скорость и коэффициент ослабления сигнала 2. Высокая стоимость
Детекторы световых излучений.
Детекторы электромагнитных волн, лежащих в спектральном диапазоне от ультрафиолетового до дальнего ИК излучений, называются световыми детекторами. С точки зрения разработчика датчиков поглощение фотонов чувствительным материалом приводит либо к повышению его температуры, либо к появлению новых квантовых частиц. Поэтому все детекторы световых излучений можно разделить на две группы: квантовые и тепловые преобразователи. Квантовые детекторы работают в интервале от УФ до среднего ИК диапазонов, в то время как тепловые датчики чаще используются в диапазонах среднего и дальнего ИК излучений, где их эффективность намного превышает эффективность квантовых преобразователей.
В таблице 4 приведены основные достоинства и недостатки различных датчиков, преобразующих световое излучение в электрический сигнал [11-14].
Таблица 4 — Основные достоинства и недостатки различных датчиков, преобразующих световое излучение в электрический сигнал
1. Высокие значения статического коэффициента преобразования и чувствительности 2. Практически линейная зависимость сопротивления от освещенности 1. Нелинейность силы излучения 2. Недостаточное быстродействие 3. Нестабильность характеристик (старение) 4. Зависимость характеристик от температуры 5. Необходимость охлаждения для некоторых типов фоторезисторов 6. Низкая скорость реакции на свет
PN фотодиоды 1. Обладают низким уровнем темнового тока. 2. Высокая чувствительность 3. Невысокая емкость перехода PIN фотодиоды 1. Низкий ток утечки 2. Имеют высокие фоточувствительность, быстродействие и эффективность при малых обратных напряжениях Фотодиоды Шотки 1. Высокая чувствительность к УФ излучению 2. Высокие быстродействие и эффективность Лавинные фотодиоды 1. Большое усиление сигнала 2. Высокое быстродействие 3. Малые шумы 1. Малая фотоЭДС 2. Невысокая воспроизводимость 1. Зависимость коэффициента умножения от интенсивности света и напряжения 2. Нарушение линейной зависимости
Продолжение таблицы 4
1. Наличие механизма внутреннего усиления
2. Высокая фоточувствительность
3. Схемотехническая гибкость
1. Ограниченное быстродействие
2. Температурная зависимость параметров
1. Узкая зона запрещенных энергий
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
2. Определяют излучение больших длин волн и работают при низких температурах
3. Высокая чувствительность детектора
4. Определение оптической мощности в широком спектральном диапазоне
5. Определение температуры тепловых процессов и получение тепловых образов
1. Затрата энергии на охлаждение
2. Высокая стоимость
3. Невысокое быстродействие
1. Возможность измерять терагерцовое и ближнее ИК-излучение
2. Обладают очень высокой чувствительностью
3. Отклик линеен во всей рабочей области
4. Имеет малое время задержки ответа (около 10 мс) Б) Детекторы излучений на основе термоэлементов
1. Возможность теплового детектирования излучений среднего и дальнего ИК диапазонов спектра
2. Обладают довольно низким уровнем шума
3. Невысокая стоимость
B) Пироэлектрические датчики ИК-излучений
1. Хорошее экранирование и защита от окружающей среды
1. Возможность измерять в широком спектральном диапазоне от среднего ИК до микроволн
2. Определение ИК температуры, построение тепловых образов, измерение локальных полей при высокой мощности излучений, чувствительность к СВЧ излучению
3. Миниатюрные размеры
Д) Активный датчик излучения дальнего ИК диапазона
1. Являются прямыми преобразователями мощности излучений в электрическое напряжение
2. Высокая чувствительность
3. Высокая эффективность_
1. Обладает довольно хрупкой конструкцией
2. Высокая стоимость
3. Громоздкость установки
1. Очень чувствительны к механическим нагрузкам и вибрациям
2. Характерен, так называемый микрофонный
3. Необходимость применения фокусирующих линз и волноводов
1. Невысокая чувствительность
2. Высокая стоимость
Детекторы радиоактивного излучения.
Ядерное излучение, испускаемое ядрами атомов некоторых материалов бывает двух типов: в виде заряженных частиц (а, в и протонов) и в виде частиц, не имеющих заряда, называемых нейтронами. Часть этих частиц являются сложными, например, а-частицы, представляющие собой ядра атомов гелия, состоящих из двух нейтронов и двух протонов, другие частицы, такие как в-частицы, устроены гораздо проще (в-частица — это либо электрон, либо позитрон). Рентгеновское и у-излучения относятся к электромагнитным излучениям ядерного типа. В свою очередь, рентгеновское излучение в зависимости от длины волны делится на жесткое, мягкое и ультрамягкое. Ядерное излучение часто называется ионизационным. При прохождении элементарных час-
тиц через различные среды, поглощающие их энергию, возникают новые ионы, фотоны или свободные радикалы.
Принцип работы датчиков радиоактивных излучений определяется способом взаимодействия исследуемых частиц с материалом самого детектора. Существуют три основных типа детекторов радиоактивных излучений: сцинтилляционные счетчики, газовые (ионизационные камеры, пропорциональные камеры, счетчики Гейгера-Мюллера) и полупроводниковые детекторы.
Также в соответствии с принципом действия все детекторы можно разделить на две группы: детекторы столкновений и дозиметры. Первые определяют наличие радиоактивных частиц, в то время как вторые измеряют мощность излучений. Поэтому существует еще одна классификация детекторов радиоактивных излучений: качественные и количественные.
В таблице 5 приведены основные достоинства и недостатки различных датчиков, преобразующих радиоактивное излучение в электрический сигнал [15-19].
Таблица 5 — Основные достоинства и недостатки различных датчиков, преобразующих радиоактивное излучение в электрический сигнал
1. Высокая доля регистрируемых частиц
2. Высокая чувствительность ко всем видам ядерного излучения
3. Большая разрешающая способность
4. Способность различать частицы по энергиям и измерять её_
1. Низкое разрешение по энергии излучения
2. Невысокая эффективность преобразова-
1) Ионизационные камеры
1. Просты в эксплуатации
2. Имеют высокую эффективность регистрации
3. Регистрируемым сигналом являются а-, в-, у- и рентгеновское излучения
2) Пропорциональные камеры
1. Возможно использовать для детектирования мягкого рентгеновского излучения, а также для обнаружения нейтронов
2. Можно детектировать а-частицы в присутствии в- и у-излучений
3. Не только регистрируют частицу, но и определяют её энергию
3) Счетчики Гейгера-Мюллера
1. Высокая чувствительность
2. Возможность регистрировать разного рода излучения
3. Низкая стоимость и простота эксплуатации
4. Возможность автоматического подсчета числа частиц
5. Эффективность счета достигает 100% при энергиях фотонов ниже 10 кэВ_
1. Очень низкая чувствительность
3. Для регистрации нейтронов необходимо модифицировать камеру
1. Низкий коэффициент газового усиления
1. Отсутствует возможность идентифицировать частицы и определять их энергию
Полупроводниковые детекторы радиоактивности
1. Высокая разрешающая способность
2. Малые размеры
4. Линейность характеристик
5. Высокое быстродействие (до 10-9 с)
6. Возможность регистрировать сильно проникающее жесткое излучение, детектировать частицы и гамма-лучи с большой эффективностью
7. Возможность различать частицы по энергиям_
1. Накопление пространственного заряда, создаваемого захваченными в ловушки электронами и дырками, что приводит с течением времени к уменьшению высоты импульса и скорости счета
Измерение температуры всегда заключается в передаче небольшой порции тепловой энергии от объекта к датчику, который должен преобразовать эту энергию в электрический сигнал. Любой датчик, независимо от его размеров, вносит возмущение в зону измерения, что приводит к возникновению ошибок при определении температуры. Это касается любых способов детектирования: и радиационных, и конвективных, и теплопроводных. Таким образом, разработчик должен всегда стремиться минимизировать погрешность измерений, применяя соответствующие конструкции датчиков и методы компенсации погрешностей.
Существует два основных метода измерения температуры: равновесный и прогнозируемый. В равновесном методе измерение температуры проводится, когда между измеряемой поверхностью и чувствительным элементом, находящимся в зонде, наступает тепловое равновесие, т. е. между датчиком и объектом измерения нет существенной разности температур. В методе прогнозирования в процессе проведения измерений тепловое равновесие не наступает, а значение текущей температуры определяется по скорости изменения температуры датчика.
Бесконтактный датчик температуры представляет собой оптический детектор теплового излучения. В бесконтактных датчиках тепло передается через излучение или оптическим методом.
В таблице 6 приведены основные достоинства и недостатки различных типов датчиков, преобразующих температуру в электрический сигнал [20-25].
Таблица 6 — Основные достоинства и недостатки различных типов датчиков, преобразующих температуру в электрический сигнал
A) Резистивные детекторы температуры
1. Измерение температур выше 600 °С
2. Воспроизводимость характеристик
3. Долговременная стабильность
4. Обладают очень высокой стабильностью его теплоизоляции
Б) Кремниевые резистивные датчики
1. Обладают хорошей линейностью сигнала
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
2. Обладают высокой долговременной стабильностью
B) Термисторы: Терморезисторы
1. Имеют высокие значения сопротивления (до 1 МОм)
2. Точность измерений
3. Полупроводниковые датчики температуры обладают высокой стабильностью характеристик во времени и применяются для измерения температур в диапазоне от -100 до 200 °С
4. Платиновые терморезисторы предназначены для измерения температур в пределах от -260 до 1100 °С
5. Никелевые термометры имеют низкую стоимость
1. Узкий температурный диапазон
2. Большие размеры
1. Для достижения высокой точности измерений термисторы необходимо индивидуально калибровать в широком температурном диапазоне
2. Небольшое удельное сопротивление медных терморезисторов и легкая окисляемость при высоких температурах
3. Конечный предел применения медных термометров сопротивления ограничивается температурой 180 °С
4. Никелевые термометры используется в диапазоне комнатных температур
Продолжение таблицы 6
Термоэлектрические преобразователи (термопары)
1. Низкая стоимость
2. Точные температурные вычисления с минимальной погрешностью
3. Позволяют измерять температуру в диапазоне от -200 до 2200 °С
4. Надёжность в эксплуатации
1. Меньшая, чем у терморезисторов точность измерения
2. Наличие значительной тепловой инерционности
3. Необходимость введения поправки на температуру свободных концов и необходимость в применении специальных соединительных проводов
Оптические датчики температуры
1. Возможность проводить измерения быстродействующих процессов
2. Возможность использовать при работе в агрессивных средах, в условиях сильных электрических, магнитных и электромагнитных полей, а также при воздействии высокого напряжения Интерферометрические датчики
1. Могут использоваться при температурах до 350 °С
2. При использовании волноводов с золотым покрытием диапазон увеличивается до 650 °С
1. Дальность действия зависит от отражательных свойств объекта
Инфракрасные датчики (пирометры)
1. Позволяют измерять температуру в труднодоступных местах и температуру движущихся объектов
2. Малое время отклика
1. Используются для измерения температуры от 20 до 2500 оС
2. Имеют простую конструкцию и компактность
3. Низкая стоимость
4. Высокая надежность
5. Хорошая разрешающая способность Яркостные (оптические) пирометры
1. Используются для измерения температур от 500 до 4000 оС
2. Точность измерения не зависит от расстояния до объекта и его излучательной способности
1. Используются для измерения температуры в диапазоне от 800 оС
2. Точность измерения не зависит от расстояния до объекта и его излучательной способности
1. Результаты зависят от излучательной способности объекта и точность зависит от расстояния до объекта измерения
1. Высокая стоимость
2. Громоздкая конструкция
Акустические датчики температуры
1. Возможность использовать при высоких уровнях радиации
2. Миниатюрные размеры
3. Чувствительность лежит в пределах нескольких кГц на градус
4. Являются прямыми преобразователями температуры в частоту
5. Линейность сигнала
6. Измеряют температуру как в среднем, так и в высоком диапазоне температур_
1. Чувствительны к нагрузке массы от собственного веса
Выводы. При выборе преобразователя необходимо определить наиболее выгодный вариант — соотношение цены и возможностей прибора. В большинстве случаев требуется учитывать несколько параметров преобразователей: точность, стабильность выходных характеристик, надежность, долговечность, низкая цена.
На основании сравнительного анализа можно сделать вывод о том, что для определения мощности и типа источника опасности наиболее подходящими являются оптические датчики — миниатюрные спектральные системы, построенные на основе спектрометров УФ, видимого и ближнего ИК диапазонов или более дешевые системы из набора фотодиодов разного спектрального состава; мобильные системы регистрации изображения на основе камер, работающих в диапазоне от 200 до 2500 нм; тепловизи-онные камеры, работающие в диапазоне от 8 до 14 мкм. Вибрационные и акустические датчики, а также датчики давления позволят определить местонахождение источника опасности и уточнить его характеристики.
Указанные датчики должны работать в комплексе, открывающем возможность пеленгации источника опасности. Поскольку эти датчики имеют малый вес и габариты, указанный комплекс может применяться не только в наземном варианте, но и в воздушном, например, с использованием беспилотных летательных аппаратов.
Таким образом, в конструкцию усовершенствованного многофункционального модуля регистрации физических параметров окружающей среды должен входить дополнительный комплекс из четырех вышеуказанных типов датчиков.
1. Оружие на новых физических принципах [Электронный ресурс] / Сайт МЧС России. URL: http://www.mchs.gov.ru/dop/terms/item/86508 (дата обращения: 06.07.2016).
2. Конвенция о запрещении военного или любого иного враждебного использования средств воздействия на природную среду [Электронный ресурс] / Сайт ООН: Конвенции и соглашения. URL: http://www.un.org/ru/documents/decl_conv/conventions/ hostenv.shtml (дата обращения: 06.07.2016).
3. White R.W. A sensor classification scheme. Microsensors // New York. IEEE Press. 1991. P. 3-5.
4. Островский Л.А. Основы общей теории электроизмерительных устройств. Л.: Энергия, 1971. 544 с.
5. Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Шарапова Е.В. Пьезоэлектрические датчики / Под ред. В.М. Шарапова. М.: Техносфера, 2006. 632 с.
6. Янчич В.В. Пьезоэлектрические датчики вибрационного и ударного ускорения: учеб. пособие. Ростов-на-Дону: Машиностроение, 2008. 77 с.
7. Алейников А.Ф., Гридчин В.А., Цапенко М.П. Датчики. Перспективные направления развития : Учеб. пособие / Под ред. М.П. Цапенко. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2001. 176 с.
8. Анисимкин И.В. , Анисимкин В.И. Многомодовые акустические датчики и системы // Конференции и симпозиумы. 2005. Т. 175. № 8. С. 900-904.
9. Аш Ж. Датчики измерительных систем / Пер. с франц.; под ред. А.С. Обухова. М.: Мир, 1992. Кн. 1. 480 с.
10. Аш Ж. Датчики измерительных систем / Пер. с франц.; под ред. А.С. Обухова. М.: Мир, 1992. Кн. 2. 460 с.
11. Ефремов С.В. Опасные технологии и производства: учеб. пособие. СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2007. 236 с.
12. ГОСТ Р 22.0.06-95. Источники природных чрезвычайных ситуаций. Поражающие факторы. Введ. 1996-07-01. М.: ИПК Издательство стандартов, 1995.
13. Ишанин Г.Г., Панков Э.Д., Челибанов В.П. Приемники. СПб.: Папирус, 2003.
14. Седалищев В.Н. Методы и средства измерений неэлектрических величин: учеб. пособие. Барнаул: АлтГТУ, 2008. 392 с.
15. Цирлин Ю.А., Глобус М.Е., Сысоева Е.П. Оптимизация детектирования гамма-излучения сцинтилляционными детекторами. М.: Энергоатомиздат, 1991. 152 с.
16. Бараночников М.Л. Приемники и детекторы излучений: справочник. М.: ДМК Пресс, 2012. 640 с.
17. Воробьев Е.А. Датчики-преобразователи информации: учеб. пособие. СПб.: ГУАП, 2001. 43 с.
18. Куликовский К.Л., Купер В.Я. Методы и средства измерений : Учеб. пособие для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1986. 448 с.
19. Ляпидевский В.К. Полупроводниковые детекторы в дозиметрии ионизирующих излучений. М.: Атомиздат, 1973. 179 с.
20. ГОСТ 6616-94. Преобразователи термоэлектрические. Общие технические условия. Введ. 1999-01-01. М.: ИПК Издательство стандартов, 1998.
21. Белозеров А.Ф., Омелаев А.И., Филиппов В.Л. Современные направления применения ИК радиометров и тепловизоров в научных исследованиях и технике // Оптический журнал. 1998. № 6. С. 16.
22. Букатый В.И., Перфильев В.О. Автоматизированный цветовой пирометр для измерения высоких температур при лазерном нагреве // Приборы и техника эксперимента. 2001. № 1. С. 160.
23. Гордов А.Н. Основы пирометрии. М.: Металлургия, 1971. 472 с.
24. Бриант Д., Кестлер У., Янг У. Датчики температуры // Схемотехника. 2000. № 1. С. 14-17.
25. Выглеб Г. Датчики: устройство и применение. М.: Мир, 1989. 196 с.
1. Weapons on new physical principles [Electronic resource] / Website of MES Russia. URL: http://www.mchs.gov.ru/dop/terms/item/86508/ (accessed 06.07.2016).
2. Convention on the Prohibition of Military or Any Other Hostile Use of Environmental Modification Techniques [Electronic resource] / Website of the UNO: Conventions and agrelments. URL: http://www.un.org/ru/documents/decl_conv/conventions/hostenv.shtml (accessed 06.07.2016)
3. White, R.W. A sensor classification scheme. Microsensors // New York. IEEE Press. 1991. P. 3-5.
4. Ostrovskiy LA. The general theory of electrical devices. L.: Energiya, 1971. 544 с.
5. Sharapov VM., Musienko МР., Sharapova Е^. Piezoelectric sensors / Under the editorship of VM. Sharapov. М.: Tehnosfera, 2006. 632 p.
6. Yanich V.V. Piezoelectric sensors vibration and percussion acceleration: textbook. Rostov-on-Don: Mashinostroenie, 2008. 77 p.
7. Aleinikov АТ., Gridchin VA, Tsapenko МР. Sensors. Perspective directions of development : Textbook / Under the editorship of МР. Tsapenko. Novosibirsk: NSTU, 2001. 176 p.
8. Anisimkin I.V., Anisimkin V.I. Multimode acoustic sensors and systems // Conferences and Seminars. 2005. Vol. 175. No. 8. P. 900-904.
9. Ash Zh. Sensors measuring systems / Transl. from Fr.; under the editorship of A.S. Obukhov. М.: Mir, 1992. Bk. 1. 480 p.
10. Ash Zh. Sensors measuring systems / Transl. From Fr.; under the editorship of A.S. Obukhov. M.: Mir, 1992. B. 2. 460 p.
11. Efremov S.V. Dangerous technology and production: textbook. SPb.: SPPTU, 2007.
12. GOST R 22.0.06-95. The sources of natural emergencies. Damaging factors. Introd. 1996-07-01. M: IPK Publishing House of Standards, 1995.
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
13. Ishanin G.G., Pankov E.D., Chelibanov V.P. Radiations detectors. SPb.: Papirus, 2003.527 p.
14. Sedalischev V.N. Metode and means for measuring of non-electrical values: textbook. Barnaul: AltSTU, 2008. 392 p.
15. Tsirlin Yu.A., Globus М.Е., Sysoeva E.P. Optimizing the detection of gamma-radiation scintillation detector. M.: Energoatomizdat, 1991. 152 p.
16. Baranochnikov M.L. Detectors and radiation detectors: Directory. M.: DMK Press, 2012. 640 p.
17. Vorobiev Е.А. Transmitters information: textbook. SPb.: SUAP, 2001. 43 p.
18. Kulikovskiy K.L., Kuper V.Ya. Metode and means for measuring : Textbook. M.: Energoatomizdat, 1986. 448 p.
19. Lyapidevskiy V.K. Semiconductor detectors in dosimetry of ionizing radiation. M.: Atomizdat, 1973. 179 p.
20. GOST R 6616-94. Thermoelectric converters. General specifications. Introd. 199901-01 M: IPK Publishing House of Standards, 1998.
21. Belozerov A.F., Omelaev A.I., Filippov V.L. Modern trends in the use IRradiometers and thermal imagers in scientific research and technology // Journal of optical. 1998. No. 6. P. 16.
22. Bukatyy V.I., Perfiliev V.O. Automated color pyrometer for high temperatures measuring by laser heatingy // Instruments and experimental techniques. 2001. No 1. P. 160.
23. Gordov A.N. Basics pyrometry. M.: Metallurgiya, 1971. 472 p.
24. Briant D., Kestler U., Yang U. Sensors of temperature // Skhemotekhnika. 2000. No 1. P. 14-17.
25. Vygleb G. Sensors: the construction and use. M.: Mir, 1989. 196 p.
© MarnypoBa Н.И., Назаренко И.Н., Федий Г.Л., 2017
MaraypoBa Нина Ивановна, младший научный сотрудник научно-исследовательского отдела научно-исследовательского управления научно-исследовательского центра (проблем применения, обеспечения и управления авиацией Военно-воздушных сил), Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и ЮА. Гагарина» (г. Воронеж), Россия, 394064, г. Воронеж, ул. Старых Большевиков, 54A, vaiu@mil.ru
Назаренко Игорь Николаевич, кандидат химических наук, доцент, старший научный сотрудник научно-исследовательского отдела научно-исследовательского управления научно-исследовательского центра (проблем применения, обеспечения и управления авиацией Военно-воздушных сил), Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и ЮА. Гагарина» (г. Воронеж), Россия, 394064, г. Воронеж, ул. Старых Большевиков, 54A, vaiu@mil.ru
Федий Галина Леонидовна, младший научный сотрудник научно-исследовательского отдела научно-исследовательского управления научно-исследовательского центра (проблем применения, обеспечения и управления авиацией Военно-воздушных сил), Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и ЮА. Гагарина» (г. Воронеж), Россия, 394064, г. Воронеж, ул. Старых Большевиков, 54A, vaiu@mil.ru
Лабораторное занятие
1. Объяснить принцип действия фотодиода с источником напряжения и без источника.
2. Начертить схему включения стабилитрона и принцип действия данной схемы.
3. Причины появления лавинных диодов.
4. Маркировка силовых диодов.
5. Определите параметры и рассчитайте прямое и обратное сопротивление диода ВЛ-200-9-056.
6. Как при помощи омметра определить пригодность выпрямительного диода к эксплуатации.
Тема 1.3 Тиристоры.
Знать устройство, работу и назначение тиристоров.
Уметь изображать графически и объяснять схемы включения тиристоров, расшифровывать их по маркировке, обосновывать технические требования, предъявляемые к ним.
Содержание учебного материала
Конструкция тиристоров. Принцип действия тиристоров, классификация, условные обозначения. Основные характеристики и параметры тиристоров, применение.
Лабораторное занятие
Исследование работы тиристоров.
Вопросы для самоконтроля
1. Для чего созданы тиристоры с двумя способами управления: по аноду, по катоду?
2. Сколько p-n переходов имеет тиристор?
3. Основной недостаток тиристоров.
4. Объясните процесс включения и выключения тиристора.
5. Как при помощи омметра определить пригодность к эксплуатации тиристора?
6. Указать параметры системы управления тиристорами.
Тема 1.4. Транзисторы.
Знать устройство, работу и назначение транзисторов.
Уметь изображать графически и объяснять схемы включения транзисторов, характеристики транзисторов, расшифровывать их по маркировке, обосновывать технические требования, предъявляемые к ним.
Содержание учебного материала
Принцип действия, классификация транзисторов, условные обозначения. Основные характеристики и параметры транзисторов. Схемы включения биполярных транзисторов. Режимы работы.
Лабораторное занятие
Исследование работы транзистора в режиме усиления, измерение основных параметров. Исследование работы транзистора в ключевом режиме.
Вопросы для самоконтроля
1. Принципиальное отличие транзисторов типа p-n-p, n-p- n.
2. Сколько p-n переходов имеет транзистор?
3. Каков принцип работы транзистора?
4. Перечислите схемы включения транзисторов и укажите принцип определения схемы включения.
5. Как при помощи омметра определить пригодность к эксплуатации транзистора?
Тема 1.5. Интегральные микросхемы
Знать классификацию микросхемы, материала, применение при их выполнении.
Уметь объяснить различие между полупроводниковыми (ПИМС) и гибридными (ГИМС) интегральные микросхемы, узнать область применения ПИМС, ГИМС, аналоговых и больших (БИС) интегральных схем, объяснить принцип изготовления микросхем.
Содержание учебного материала
Понятие об элементах, компонентах интегральных микросхем; активные и пассивные элементы. Уровень интеграции. Классификация интегральных микросхем, система обозначений.
Вопросы для самоконтроля
1. Преимущество схем на микросхемах по сравнению со схемами на дискретных элементах.
2. Достоинства и недостатки полупроводниковых и интегральных микросхем.
3. Перечислите применение микросхем в вашей специальности.
Тема 1.6. Полупроводниковые фотоприборы
Знать устройство, принцип действия и параметры фоторезисторов, фототранзисторов, светодиодов, фотодиодов, области их применения и схемы включения.
Уметь читать и составлять простейшие схемы с использованием фотоэлектронных приборов.
Содержание учебного материала
Фоторезисторы, фотодиоды, фототиристоры, фототранзисторы, светодиоды: их принцип действия, условные обозначения, применение. Полупроводниковые лазеры, принцип действия, применение. Оптроны, принцип действия, условные обозначения, область применения. Термисторы, принцип действия, условные обозначения, применение.
Вопросы для самоконтроля
1. Какова природа светового излечения?
2. Какие приборы называются фотоэлементами с внешним и внутренним фотоэффектами?
3. Какой фактор влияет на качество работы фотоэлектрических приборов?
4. Какие электроны обеспечивают ток фотоэмиссии?
5. Каким явлением обусловлен ток динодов?
6. Какое существует различие между фотодиодами и обычным полупроводниковым диодом?
7. Чья чувствительность выше: фотодиода или фототранзистора?
8. Какое свойство лежит в основе принципа действия светодиода?
9. Применение фотоэлементов в вашей специальности.
Раздел 2. Электронные усилители и генераторы.
Тема 2.1. Электронные усилители.
Знать назначение и работу усилителей, их основные характеристики.
Уметь изображать графические схемы усилителей, объяснить их работу, судить о возможность применения в ПС.
Содержание учебного материала
Классификация усилителей, структурная схема усилителя. Основные характеристики и параметры усилителей. Режимы работы усилителей. Усилители напряжения. Усилители мощности. Усилители тока. Дифференциальные усилители. Операционные усилители, интегральное исполнение, условное обозначение, применение.
Лабораторное занятие
Исследование электронной схемы инвертирующего и неинвертирующего усилителей, измерение основных параметров.
Вопросы для самоконтроля
1. Что включает в себя структурная схема усилителя?
2. Что произойдет с коэффициентом усиления каскада, если в цепь эмиттера включить резистор?
3. Каков принцип работы усилителя?
4. Что такое рабочая точка усилителя?
5. Перечислите области применения УПТ.
6. Для каких целей используют отрицательную обратную связь?
7. Какие искажения существуют в усилителе?
Тема 2.2. Электронные генераторы.
Знать основные сведения об электронных генераторах синусоидального, прямоугольного и пилообразного напряжений. параметры и разновидности электрических импульсов, их назначение.
Уметь изображать схемы и объяснить их работу генераторов электрических импульсов, приводить графики водных и выходных характеристик генераторов.
Содержание учебного материала
Классификация электронных генераторов. Автогенератор типа RC. Схема, принцип работы. Стабилизация частоты генераторов. Кварцевый генератор. Электрические импульсы. Классификация, основные параметры. Генератор линейно-изменяющегося напряжения. Симметричный мультивибратор. Мультивибратор на операционном усилителе. Автогенератор LC типа.
Лабораторное занятие
Исследование мультивибраторов. Исследование работы генератора Л-И-Н.
Вопросы для самоконтроля
1. Чем отличаются электронные генераторы от усилителей?
2. Назовите элементы схемы генератора типа LC.
3. Объясните работу схемы транзисторного мультивибратора.
4. Чем отличается работа схем мультивибратора и триггера?
5. Составьте схему генератора пилообразного напряжения на транзисторе.
6. Приведите примеры применения генераторов в вашей специальности.
Раздел 3. Источники вторичного питания
Тема 3.1. Неуправляемые выпрямители.
Знать принцип выпрямления переменного тока, назначение и работу выпрямительных установок ПС.
Уметь Изображать графически схемы выпрямления с приведение графиков, объяснять достоинства и недостатки схем выпрямления, рассчитывать количество диодов в схеме по исходным данным.
Содержание учебного материала
Классификация выпрямителей. Принцип действия однофазных выпрямителей, временные диаграммы напряжений, основные параметры. Трехфазные выпрямители, принцип действия, временные диаграммы.
Лабораторное занятие
Исследование электронной схемы однофазного мостового неуправляемого выпрямителя, измерение основных параметров.
Вопросы для самоконтроля
1. Что входит в состав структурной схемы выпрямителя?
2. Перечислите основные схемы выпрямления.
3. Перечислите преимущества мостовой схемы выпрямителя.
4. Объясните, что может произойти при изменении направления включения выпрямительного диода в мостовой схеме?
5. Как омметром проверить пригодность мостовой схемы выпрямителя к эксплуатации?
Тема 3.2. Управляемые выпрямители.
Знать принцип выпрямления переменного тока, назначение и работу управляемых выпрямительных установок ПС.
Уметь изображать графически схемы выпрямления с приведение графиков, объяснять достоинства и недостатки схем управляемого выпрямления, рассчитывать количество тиристоров в схеме по исходным данным.
Содержание учебного материала
Принцип действия управляемых выпрямителей. Временные диаграммы. Применение. Особенности трехфазных управляемых выпрямителей. Система управления выпрямителями.
Лабораторное занятие
Исследование электронной схемы однополупериодного управляемого выпрямителя, измерение основных параметров.
Вопросы для самоконтроля
1.Что входит в состав структурной схемы управляемого выпрямителя?
2.Перечислите основные схемы управляемых выпрямителей.
3.Перечислите преимущества мостовой схемы управляемого выпрямителя.
4.Объясните, что может произойти при изменении направления включения тиристора в мостовой схеме?
5.Как омметром проверить пригодность мостовой схемы управляемого выпрямителя к эксплуатации?
6. Приведите примеры применения управляемых выпрямителей в вашей специальности.
Тема 3.3. Сглаживающие фильтры.
Знать принцип действия элементов фильтров. Применение в ЭПС.
Уметь составлять схемы и объяснять работу фильтров различных типов: однозвеньевых, многозвеньевых. Рассчитывать коэффициенты: пульсации, сглаживания.
Содержание учебного материала
Назначение и классификация фильтров. Сглаживающие фильтры с пассивными элементами: емкостные, индуктивные. Принцип действия. Коэффициент сглаживания. Однозвенные и многозвенные фильтры. Активные фильтры.
Лабораторное занятие
Исследование свойств сглаживающих фильтров.
Вопросы для самоконтроля
1. Принцип действия индуктивности как фильтра?
2. Принцип действия конденсатора в качестве фильтра?
3. Назовите основной параметр фильтра.
4. Как определить коэффициент пульсации выпрямленного тока(напряжения)?
5. Дайте определение сглаживающему реактору.
6.Какие сглаживающие фильтры применяются на практике?
Тема 3.4. Стабилизаторы напряжения и тока.
Знать назначение, классификацию стабилизаторов, типы стабилизирующих элементов; Определение коэффициента стабилизации.
Уметь объяснить работу схемы полупроводниковых стабилизаторов напряжения.
Содержание учебного материала
Классификация стабилизаторов, применение. Принцип работы параметрического стабилизатора напряжения. Принцип работы компенсационного стабилизатора напряжения. Компенсационный стабилизатор тока.
Лабораторное занятие
Исследование параметрического стабилизатора напряжения.
Вопросы для самоконтроля
1. Структурная схема компенсационного стабилизатора постоянного напряжения. Назначение основных элементов схемы.
2. Основные параметры стабилизатора.
3. От чего зависит коэффициент полезного действия стабилизатора?
4. Начертить и объяснить работу схемы однокаскадного стабилизатора напряжения
Раздел 4. Логические устройства.
Тема 4.1. Логические элементы цифровой техники.
Знать общие сведения о логических элементах и операциях, алгебру логики, устройство памяти на магнитных элементах, микросхемы средней степени интеграции, графическое изображение интегральных микросхем.
Уметь подключить схемы логических элементов, читать электрические схемы цепей управления ТПС с электронными блоками.
Содержание учебного материала
Логические элементы И, ИЛИ, НЕ. Условные обозначения, таблицы истинности. Логические элементы ИЛИ-НЕ, И-НЕ. Условные обозначения, таблицы истинности. Элемент 2И-НЕ в интегральном исполнении, принцип работы.
Вопросы для самоконтроля
1. Назначение логических элементов.
2. Классификация базовых логических элементов.
3. Параметры логических элементов.
4. Примеры схемного исполнения логических элементов на МДП-транзисторах с индуцированным каналом.
5. Применение логических элементов в вашей специальности.
Тема 4.2. Комбинационные цифровые устройства.
Знать применение и общие сведения о шифраторах, дешифраторах, мультиплексорах, демультиплексорах, полусумматорах и сумматорах.
Уметь подключить комбинационные цифровые устройства и читать электрические схемы цепей управления с электронными блоками.
Содержание учебного материала
Комбинационные цифровые устройства: шифратор, дешифратор, мультиплексор, полусумматор, сумматор. Условные обозначения, назначение выводов, применение.
Вопросы для самоконтроля
1. Назначение цифровых устройств.
2. Полусумматор, сумматор. Условное обозначение, какую функцию они выполняют?
3. Шифратор, дешифратор. Условное обозначение, какую функцию они выполняют?
Тема 4.3. Последовательностные цифровые устройства.
Знать общие сведения о триггерах, счетчиках, регистрах, алгебру логики, устройство памяти на магнитных элементах, микросхемы средней степени интеграции, графическое изображение интегральных микросхем.
Уметь подключить схемы синхронных и счетных триггеров, читать электрические схемы цепей управления ТПС с электронными блоками.
Содержание учебного материала
Последовательностные цифровые устройства: триггер, счетчик, регистр. Условные обозначения, назначение выводов, применение. RS-триггер, JK-триггер, D-триггер, Т-триггер, принцип работы, таблицы истинности.
Вопросы для самоконтроля
1. Дать определение триггеру.
2. По каким признакам можно классифицировать триггеры?
3. Для построения каких устройств используются триггеры?
4. Чем определяется быстродействие триггера?
5. Почему JK-триггер называется универсальным?
6. Каковы условные графические обозначения триггеров на схемах?
Раздел 5. Микропроцессорные системы.
Тема 5.1. Полупроводниковая память.
Знать назначение, область применения, принцип работы запоминающих устройств(«ЗУ»).
Уметь определять по маркировке функциональное назначение данных элементов.
Содержание учебного материала
Назначение и классификация напоминающих запоминающих устройств. Статические, динамические, перепрограммируемые запоминающие устройства. Флэш-память. Область применения.
Вопросы для самоконтроля
1. Каково назначение запоминающих устройств цифровой техники?
2. По каким признакам классифицируют запоминающие устройства?
3. Какими основными параметрами характеризуется ЗУ?
4. Почему быстродействие и информационная емкость ЗУ являются противоречивыми характеристиками?
Тема 5.2. Аналого-цифровые и цифро-аналоговые устройства.
Знать достоинства, недостатки, области применения, принцип работы аналого-цифровых и цифро-аналоговых устройств.
Уметь по паспортным данным анализировать их основные технические характеристики.
Содержание учебного материала
Цифровая обработка электрических сигналов: дискретизация, квантование. Принцип работы аналого-цифрового преобразователя, применение. Принцип работы цифро-аналогового преобразователя, применение.
Вопросы для самоконтроля
1. Чем отличаются цифровые сигналы от аналоговых?
2. Какие задачи выполняют аналого-цифровые преобразователи(АЦП) и цифро-аналоговые преобразователи(ЦАП).
3. Какие важнейшие характеристики имеют АЦП и ЦАП?
4. Что называется разрешением АЦП?
Тема 5.3. Микропроцессоры.
Знать структуры микропроцессоров, назначение блоков и регистров, область применения.
Уметь изображать простейшие структурные схемы микропроцессоров, объяснить их работу, обосновывать экономическую необходимость применения микропроцессоров на ПС.
Содержание учебного материала
Структура процессора, назначение структурных блоков. Архитектура процессоров. CISC-, RISC-,VLIW-процессоры. Микропроцессоры, разновидности, применение. Цифровые сигнальные процессоры, применение. Микроконтроллеры, системы на кристалле, применение.
Вопросы для самоконтроля
1.Что такое микропроцессор?
2. Какова структурная схема обобщенного микропроцессора?
3. Каковы основные характеристики микропроцессора?
4.Что называют микропроцессорной системой?
5. Какова структурная схема микропроцессорной системы?