Виброанализаторы

1. Что такое акселерометр? Назовите 2 основных вида акселерометров.

2. Опишите превращения сигналов, которые происходят в микроэлектронном ёмкостном сенсоре линейного ускорения.

3. Что такое кантилевер? Какое применение они находят сейчас в сенсорах?

5. Почему хроматографические сенсоры мы относим к классу механических? Для решения каких сенсорных задач их применяют? Объясните принцип их действия.

Упражнение 3.1. Нарисуйте эскиз принципиальной механической схемы акселерометра, измеряющего линейное ускорение. Объясните назначение всех основных элементов этой схемы. Запишите дифференциальное уравнение движения инертной массы.

Упражнение 3.2. Используя формулу (3.3), рассчитайте:

Вариант 1. Изменение частоты колебаний кварцевого пьезоэлемента при увеличении его массы на 1 мкг, если частота его свободных колебаний составляет 4,5 МГц, а площадь электрода S см².

Вариант 2. Массу навески на кварцевых микровесах, если частота колебаний пьезоэлемента изменилась от 4,80 МГц до 4,72 МГц при площади электрода 0,3 см².

Вариант 3. Теоретическую чувствительность микровесов, если площадь электрода пьезоэлемента уменьшить до 5 × 5 мм², и фиксировать изменение частоты на 10 Гц от исходной 4.,5 МГц.

4. Акустические сенсоры 4.1 Физические основы работы акустических сенсоров В акустических сенсорах первичные информационные сигналы являются акустическими. Напомним, что акустические волны – это колебания давления, распространяющиеся в воздухе (газах), жидкости или в твердой среде. Известно, что акустические волны распространяются значительно медленнее, чем радиоволны: в воздухе, например, со скоростью около 340 м/с, в воде – около 1,5 км/с, в твердых телах – 3-6 км/с. И это имеет свои положительные стороны. По частоте колебаний акустические волны подразделяют на:

инфразвуки (частота меньше 16 Гц);
звуки (диапазон частот от 16 Гц до 20 кГц), которые воспринимает человеческое ухо;
ультразвуки (от 20 кГц до 1 ГГц);
гиперзвуки (свыше 1 ГГц, вплоть до 10¹³ Гц).

Инфразвуки в воде (напр., в морях и океанах) могут распространяться на сотни километров. Воспринимая их, обитатели моря заранее "слышат" приближение шторма. Гиперзвуки и ультразвуки сильно рассеиваются, поглощаются и поэтому затухают гораздо быстрее. Ультразвуковые волны по частоте обычно делят на три диапазона:

низкочастотный (16–100 кГц, длина волны в воздухе 3-20 мм, в воде 15-90 мм);
средних частот (0,1-10 МГц, длина волны в воздухе 0,034–3,4 мм, в воде 0,15-15 мм);
высокочастотный (10–1000 МГц, длина волны в воздухе 0,34-34 мкм, в воде 1,5–150 мкм).

Акустические волны естественного происхождения, как правило, являются сложными, несут с собой колебания разных частот. Их частотный состав обычно характеризуют частотно-амплитудным спектром – зависимостью интенсивности или амплитуды колебаний от частоты. Музыкальные звуки имеют в основном дискретный спектр, другие – непрерывный спектр. Звуковые шумы имеют очень широкий непрерывный спектр частот. Интенсивность акустических, как и всех других видов волн характеризуют средней энергией, переносимой ими за единицу времени через единицу площади, перпендикулярной к направлению распространения, и измеряют в Вт/м². Специфической характеристикой интенсивности акустических волн является амплитуда колебаний давления (Па). В области звуков, которые слышит человек, используют и логарифмическую меру громкости звука – так называемый " уровень звукового давления ". Его выражают в децибелах (дБ) и вычисляют по формуле

(4.1)

где – амплитуда колебаний давления в паскалях, а – это так называемый "порог слышимости", т.е. минимальная амплитуда звуковых колебаний, которые способно услышать человеческое ухо.

В акустических сенсорах часто используют эффект Доплера – изменение частоты колебаний, которые воспринимает наблюдатель, при движении источника волн или наблюдателя относительно друг друга или относительно той среды, в которой распространяются волны. Если наблюдатель неподвижен относительно среды распространения, а источник акустических волн приближается к наблюдателю со скоростью , то частота колебаний, которые воспринимает наблюдатель, определяется формулой

(4.2)

где – частота колебаний в источнике акустических волн, – скорость распространения акустических волн в среде. Воспринимаемая нами частота акустических волн от источника, который к нам приближается, выше, а от источника, который от нас удаляется – ниже. По величине частотного сдвига можно определить скорость движения источника акустических волн относительно наблюдателя.

Воспринимаемая нами частота выше, когда мы приближаемся к источнику, и ниже, когда мы отдаляемся от него.

on_load_lecture()

4.2. Приемники акустических сигналов Поскольку акустические волны – это колебания давления, то для восприятия их применяют элементы, чувствительные к быстрым колебаниям внешнего давления. Как правило, это легкие мембраны или диафрагмы, преобразующие колебания давления воздуха, жидкости или твердого тела в механические колебания, которые, в свою очередь, превращаются далее в электрические сигналы или в сигналы другой природы. Датчики, чувствительные к звуковым волнам, распространяющимся в воздухе или в газах, обычно называют микрофонами; датчики, чувствительные к акустическим волнам, которые распространяются в воде или в жидкостях, – гидрофонами; а датчики акустических волн в твердых телах, – стетоскопами. Врачи, например, уже много столетий применяют механические стетоскопы для прослушивания звуков внутри грудной клетки человека, возникающих в результате сокращений сердца, прохождения воздуха по дыхательным путям и т.д. Основными параметрами акустических датчиков являются: частотный и динамический диапазоны, чувствительность, диаграмма направленности и амплитудно-частотная характеристика (АЧХ). Микрофоны Первые микрофоны были резистивными. Для преобразования механических колебаний в электрический сигнал в них использовали угольный (графитовый) порошок, электрическое сопротивление которого уменьшалось с возрастанием давления. Затем набор принципов работы акустических датчиков значительно расширился. Ныне используются: электростатические (конденсаторные, емкостные), волоконно-оптические, пьезоэлектрические, пьезорезистивные, и другие типы таких датчиков. Гидрофоны В отличие от микрофонов, гидрофоны должны быть стойкими к высоким статическим давлениям, характерным для больших глубин. Их применяют в гидроакустике для прослушивания акустических сигналов и шумов, распространяющихся в жидкостях, для измерения параметров этих сигналов и в качестве составляющих элементов приемных гидроакустических антенн. Наиболее распространены электродинамические, пьезоэлектрические и магнитострикционные гидрофоны. В магнитострикционных гидрофонах используют т.н. "обратный магнитострикционный эффект" в ферромагнетиках – изменение магнитной индукции при изменениях внешнего давления, которое приводит к появлению переменной ЭДС в обмотке. Стетоскопы В стетоскопах акустические колебания внешней грани твердого тела преобразуют в соответствующие колебания давления газа или жидкости. Они по звукопроводящей трубке передаются на чувствительный к акустическим колебаниям элемент. С целью повышения чувствительности площадь контакта стетоскопа с твердым телом увеличивают, а стенки звукопроводящей трубки постепенно сужают, чтобы сконцентрировать акустические колебания давления на небольшой площади и увеличить их амплитуду. Сужение, как правило, производится по экспоненциальному закону. Поверхностные микрофоны Возможность с помощью стетоскопа собирать звук с большой поверхности и концентрировать его на малой площадке чувствительного элемента привела к созданию так называемых поверхностных микрофонов. По сути – это стетоскопы. Они имеют плоскую входную мембрану, внутренний объем газа для концентрирования звука и чувствительный акустический элемент. Интеллектуальные электронные стетоскопы открыли нам "звуковое окно" в таинственный мир подземной природы. С их помощью можно прослушивать и записывать естественные звуки гор, пробуждающихся вулканов, фонтанирующих гейзеров, плавающих айсбергов и т.д. Оказывается, что им присуща не только непривычная для нас своеобразная акустическая красота и гармония. С их помощью можно узнать много нового о свойствах и о "внутренней жизни" этих объектов, своевременно предвидеть схождение горных лавин, выбросы вулкана, разрушение айсберга и т.п. on_load_lecture()

Прослушивающие устройства Среди интеллектуальных акустических сенсоров имеются и приборы для незаметного прослушивания разговоров. Сразу же оговорим, что это является законным лишь при наличии разрешения суда или прокурора. Существует много различныхпрослушивающих приборов, рассмотрим лишь один вариант, когда разговор ведется внутри помещения или автомобиля за закрытыми окнами, то для его прослушивания разработаны так называемые " лазерные микрофоны ", принцип действия которых раскрывается на рис.4.1

Рис. 4.1. Функциональная схема лазерного микрофона Звуковые волны 2, достигая стекла 1, вызывают его вибрацию с соответствующими звуковыми частотами. Здесь стеклянная пластина окна играет роль мембраны – чувствительного элемента сенсора, который превращает звуковые сигналы в механические колебания. На значительном расстоянии от стекла (до 100–200 м) устанавливают лазер 3, невидимый (как правило, инфракрасный) модулированный луч которого направляют на стекло. На таком же примерно расстоянии в пределах конуса отраженного от стекла лазерного луча располагают приемный пункт, в состав которого входят один или несколько фотоприемников 4, электронный блок 5 и генератор звука 6 (наушники или громкоговоритель). При вибрациях стекла изменяется фаза световых колебаний, попадающих на фоточувствительный элемент в точке приема. Сигналы от него в электронном блоке усиливаются, фильтруются, детектируются и записываются, а также могут быть прослушаны через наушники 6. " on_load_lecture()

4.3 Активные акустические сенсоры До сих пор мы рассматривали в основном пассивные акустические сенсоры, "пассивные" в том плане, что акустические сигналы к ним приходят "со стороны", а сенсоры их лишь воспринимают. Однако разработаны и широко используются также и активные акустические сенсоры. Из них мы кратко рассмотрим эхолокаторы и диагностические ультразвуковые приборы. on_load_lecture()

Эхолокаторы, Преимущество в эхолокации обычно отдают ультразвуковым (далее УЗ) волнам, поскольку они УЗ волны средних и высоких частот довольно сильно поглощаются и быстро затухают в воздухе и газах. Поэтому для эхолокации в воздухе применяют преимущественно низкочастотные УЗ волны. . Эхолотами называют все сенсоры, которые действуют по принципу восприятия звуков, отраженных от расположенных поодаль предметов, т.е. по принципу эха (от греческого "эхо" – отраженный звук, отзвук, отклик). В гидролокации названия " гидролокатор " и " эхолокатор ", "эхолот", "сонар" стали практически синонимами. Излучатель и приемник УЗ волн, как правило, находятся в одном корпусе вместе с необходимой для измерений электроникой и с элементами, обеспечивающими направленность – концентрацию излучаемых и принимаемых УЗ волн в определенном секторе пространства. Распространяясь в воде, волны натыкаются на имеющиеся в ней объекты, отражаются и рассеиваются ими. Часть отраженных и рассеянных УЗ волн в значительно ослабленном виде возвращаются назад к акустической антенне Пусть

– это минимальная дальность, которую "просматривает" или "прослушивает" гидролокатор. УЗ волна проходит до объектов, удаленных на такое расстояние, и обратно за время

(4.3)

Здесь – это скорость распространения УЗ волн в воде. Длительность зондирующего УЗ импульса не должна превышать это время, поскольку иначе сигналы, отраженные от наиболее близких целей, не будут приняты.

Пусть – это максимальная дальность, которую "просматривает" или "прослушивает" гидролокатор. УЗ волна проходит расстояние до самых удаленных объектов и обратно за время

(4.4)

Период посылки зондирующих УЗ импульсов не должен быть меньше этого времени, поскольку иначе сигналы, отраженные от наиболее далеких целей, тоже не будут приняты. Таким образом, диапазон расстояний до объектов, обнаруживаемых гидролокатором (от до ), максимальная длительность зондирующих УЗ импульсов и минимальный период их излучения однозначно между собой связаны.

Одним из применений эхолокации уже не в воде, а в воздухе, является УЗ выявление присутствия объекта в контролируемой зоне и измерение расстояния до него. Особенно важным становится это в сложных условиях густого тумана, задымленности, запыленности и т.п., когда оптические методы "работают" плохо. А для УЗ волн это всё – не помеха. В качестве источника ультразвука чаще всего применяют пьезоэлектрические преобразователи.

По измеренному времени запаздывания рассчитывается расстояние до объекта

(4.5)

где – скорость распространения ультразвука в воздухе.

Как и в гидролокации, длительность импульсов определяет минимальное расстояние до объекта, которое можно измерить,

(4.6)

Частота зондирования определяет максимальное расстояние, которое можно измерить

(4.7)

От частоты зондирующих УЗ волн зависит длина волны

(4.8)

и определяемая этим разрешающая способность сенсора, т.е. минимальные размеры объектов, присутствие которых еще можно зафиксировать. В воздухе на частоте выше 340 кГц длина волны составляет менее 1 мм.

⇐ Предыдущая 1 2 3 45

Поделиться с друзьями:

Дата добавления: 2014-01-15; Просмотров: 898; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы!

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

studopedia.su - Студопедия (2013 - 2024) год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! Последнее добавление

Генерация страницы за: 0.009 сек.