Физические эффекты в технических системах. Лекция 6

1.

Физические эффекты в
технических 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 эффекты
акустоэлектрического преобразователя
• Акустоэлектрический преобразователь устройство,
преобразующее акустическую энергию, т.е. энергию упругих
волн в воздушной среде в электромагнитную энергию.

4.

Проявление акустоэлектрического эффекта обусловлено
наличием 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 генераторные
преобразователи
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 ЭДС
сигнала 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 механической
системы:
• 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 собой
сердечник 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 в
виде 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 пьезоэлектрические
преобразователи
• 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 генераторным
преобразователем, 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 коэффициентом
тензочувствительности 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 бесконтактный
съем 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 и
фазе лазерный луч принимается приемником ИК-излучения,
преобразуется в электрический сигнал и после
соответствующей обработки преобразуется в акустический
сигнал, несущий интересующую информацию.

22.

ФЭ оптико-электрического
преобразователя
• 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 преобразователях
1) 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 – приемник
электромагнитного 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 инфракрасного
излучения 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 внутреннего
фотоэффектов.
• 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.

29.

Контрольные вопросы