Как проводятся УЗ исследований в медицине и сейсморазведки .?

Ответы на вопросы (4)

1. Акустические волны – это колебания давления распространяющиеся в воздухе (газах), жидкости или в твердой среде. "Звуки", "инфразвуки", "ультразвуки" и "гиперзвуки" различаются по частоте колебаний: инфразвуки – меньше 16 Гц; звуки – от 16 Гц до 20 кГц; ультразвуки – от 20 кГц до 1 ГГц; гиперзвуки – свыше 1 ГГц.

2. Основными видами приёмников акустических сигналов являются микрофоны, гидрофоны и стетоскопы. Можно выделить в отдельный вид также и "поверхностные микрофоны".

3. "Лазерный микрофон" применяют для прослушивания разговоров внутри помещения или автомобиля за закрытыми окнами. Дело в том, что звуковые волны, падая на оконное стекло, вызывают его вибрацию с соответствующими звуковыми частотами, т.е. окно превращает звуковые сигналы в механические колебания. На значительном расстоянии от стекла (до 100–200 м) устанавливают инфракрасный лазер, невидимый модулированный луч которого направляют на стекло. Направление луча регулируют так, чтобы отраженный от стекла луч попадал на фотоприемник. Вибрации стекла меняют фазу световых колебаний, попадающих на фотоприемник. Сигналы от него в электронном блоке усиливаются, фильтруются, детектируются и записываются, а также могут быть прослушаны через наушники. Защититься от прослушивания лазерным микрофоном можно, прикрепив к стеклу окна небольшой пьезоэлектрический преобразователь, на который подаётся напряжение от генератора шума. Создаваемые им колебания стекла достаточно слабые, чтобы не помешать разговору внутри помещения, создадут очень серьезные помехи прослушиванию через лазерный микрофон.

.4. 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.

5. Активными акустическими сенсорами являются эхолокаторы, которые сами генерируют акустические волны для того, чтобы собрать нужную информацию о контролируемых объектах.

6. Одним из важных видов эхолокации являются ультразвуковые исследования внутренних органов человека, которые широко применяют в медицине.

Известен метод спектрально-сейсморазведочного профилирования (ССП). Он состоит в том, что вертикально вглубь земли от мобильного ССП сенсора посылается импульсный акустический зондирующий сигнал. Затем "прослушивается" и записывается его растянутый во времени "отклик" – слабые вторичные акустические волны, возбужденные этим сигналом в земной коре.

Вопросы для самопроверки (5)

1. По какому принципу классифицируют электрические сенсоры?

2. Что такое "трансдьюсер"? Почему электрические сенсоры часто применяют в качестве трансдьюсеров?

3. Что такое "терморезисторы"? Имеется ли различие между "терморезисторами" и "термисторами"?

4. Что такое "фоторезисторы"? Объясните физический механизм их действия. Что такое "спектральная характеристика" фоторезистора?

5. Что такое "пьезорезисторы"? Для чего их применяют?

6. Что такое "магниторезистивные датчики"? Из какого материала их преимущественно делают?

7. Приведите примеры ёмкостных электрических сенсоров.

8. Чем отличаются ёмкостные и импедансные сенсоры?

Ответы на вопросы (5)

1. Электрические сенсоры классифицируют по физическому принципу действия их чувствительного элемента на активные и пассивные. Пассивные классифицируют по виду той конкретной электрической характеристики, которая изменяется под влиянием контролируемого фактора, на: резистивные, ёмкостные, импедансные, вольтаические, токовые. Активные чувствительные элементы обычно считают токовыми. Дальше электрические сенсоры можно классифицировать на подвиды в зависимости от того, под действием какого именно внешнего фактора изменяются их электрические характеристики.

2. "Трансдьюсер" – это преобразователь сигналов из одной физической формы в другую. Электрические сенсоры, в частности, преобразуют механические, акустические и другие виды сигналов в электрическую форму. Поскольку микрокомпьютер в интеллектуальных сенсорах работает именно с электрическими сигналами, то в большинстве таких сенсоров, независимо от их вида, в качестве трансдьюсеров применяют электрические сенсоры.

3. Терморезисторы – это чувствительные элементы, электрическое сопротивление которых зависит от температуры. Термисторами называют полупроводниковые терморезисторы.

4. Фоторезисторы – это чувствительные элементы, электрическое сопротивление которых уменьшается при освещении. Это связано с внутренним фотоэффектом – генерированием в веществе при поглощении квантов света дополнительных свободных носителей электрического заряда. Спектральная характеристика фоторезистора – это зависимость его чувствительности от длины волны или от частоты падающего света.

5. Пьезорезисторы – это чувствительные элементы, электрическое сопротивление которых зависит от механического напряжения. Их применяют для измерения силы, давления, механического напряжения, деформации, для фиксации даже легчайших прикосновений. Такие сенсоры могут сигнализировать об угрожающей локальной или общей перегрузке, фиксировать и отслеживать перемещение объектов по опоре и т.д.

6. В магниторезистивных датчиках используется способность некоторых материалов существенно изменять свою электропроводность в зависимости от направления и величины внешнего магнитного поля. Чаще всего применяют пленки пермаллоя (), а датчик состоит из 4 пермаллоевых пленочных резисторов, напыленных на поверхность кремния и соединенных в виде мостовой измерительной схемы. В том же кристалле кремния формируют электронные схемы усиления и обработки сигналов.

7. Примерами ёмкостных электрических сенсоров являются, в частности, описанные в данной лекции: а) сенсор линейного перемещения, в котором при перемещении внутреннего стержня цилиндрического конденсатора изменяется его ёмкость; б) сенсор давления, в котором ёмкость плоского конденсатора меняется при изменении внешнего давления и соответственно расстояния между пластинами; в) сенсор уровня жидкости, в котором емкость измерительного конденсатора прямо зависит от уровня жидкости; г) гребенчатые газовые сенсоры, в которых ёмкость между двумя гребенчатыми электродами меняется в зависимости от наличия и концентрации в атмосфере молекул определенных паров или газов.

8. В ёмкостных сенсорах существенным является только изменение электрической ёмкости чувствительного элемента. Измерение её проводят либо на постоянном токе, либо на переменном токе высокой частоты. В импедансных сенсорах существенно не только изменение ёмкости, но и изменение активного сопротивления чувствительного элемента. Измерения импеданса проводят на оптимальных средних частотах. Информативным может быть, скажем, и сдвиг фазы между переменным током и напряжением.

.

Вопросы для самопроверки (6) 1. Что такое "вольтаические" сенсоры? По какому принципу их классифицируют? 2. Что такое "термопара"? Какое физическое явление лежит в основе её работы? 3. Что такое "пьезоэлемент"? Какое физическое явление лежит в основе его работы? 4. Что такое "пьезоэлектрический резонатор"? Почему его можно применить в качестве датчика силы (давления, деформации)? 5. Как функционирует датчик Холла? 6. Почему полупроводниковый диод можно использовать в качестве датчика температуры? 7. Что такое "фотодиод"? От чего зависит его спектральная чувствительность? 8. Назовите основные режимы работы фотодиодов. 9. Что такое "фотодиод Шотки"? Где и для чего их применяют? 10. Каковы преимущества фототранзисторов перед фотодиодом? И наоборот.  

  on_load_lecture()

Ответы на вопросы (6) 1. "Вольтаическими" называют сенсоры, в которых под действием внешнего фактора первичный информационный сигнал возникает в виде электрического потенциала или разности потенциалов (напряжения) между какими-то точками электрической цепи. Вольтаические сенсоры классифицируют по виду того физического фактора, под влиянием которого появляется и изменяется электрический потенциал или ЭДС. 2. "Термопара" – это пара электрически соединенных между собой проводников из двух разных материалов. Если места их контакта ("спаи") находятся при разных температурах, то между ними возникает разность потенциалов – термо-ЕДС. Это явление называют эффектом Зеебека. Его физической причиной является то, что в области "горячего" контакта носители электрического заряда имеют более высокие скорости теплового движения. В результате диффузионный поток носителей от горячего спая к холодному больше, чем диффузионный поток от холодного спая к горячему. В полупроводниках к этой причине добавляется еще и возрастание концентрации носителей заряда у горячего спая. 3. "Пьезоэлемент" – это пластина из пьезоэлектрического материала, на противоположные грани которой нанесены электроды. В основе его работы лежит пьезоэлектрический эффект: возникновение разности потенциалов между электродами при деформации пластины в поперечном направлении. 4. "Пьезоэлектрический резонатор" – это пьезоэлемент, включенный в схему генератора незатухающих электрических колебаний. Благодаря прямому и обратному пьезоэлектрическому эффекту в нем возникают не только электрические, но и механические колебания на механических резонансных частотах. Если к пьезоэлектрическому резонатору приложить силу или давление, то условия механического резонанса несколько изменяются, вследствие чего несколько изменяется и частота его колебаний. Измеряя изменение частоты, можно определить действующую силу. 5. Действие датчиков Холла основано на том, что на носители электрического заряда, движущиеся в магнитном поле, действует сила Лоренца. Поэтому, если через пластину проводника или полупроводника пропускать электрический ток, то при наличии внешнего магнитного поля носители электрического заряда под действием силы Лоренца отклоняются в направлении, перпендикулярном вектору индукции магнитного поля и направлению тока. Вследствие этого возникает поперечная разность потенциалов, пропорциональная силе тока и величине индукции магнитного поля. 6. Полупроводниковый диод можно использовать в качестве датчика температуры, поскольку его вольтамперная характеристика зависит от температуры. Если зафиксировать, например, приложенное напряжение, то от температуры будет экспоненциально зависеть протекающий через диод ток. 7. Фотодиод – это полупроводниковый диод, открытый для проникновения и чувствительный к падающему на него свету. Под действием света в полупроводнике появляются дополнительные носители заряда, которые тут же вытягиваются электрическим полем р-п-перехода, увеличивая протекающий через диод ток. Спектральная чувствительность фотодиода зависит от материала, из которого он изготовлен, и от прозрачности верхних слоев фотодиода. 8. Основными режимами работы фотодиодов считаются: а) фотовольтаи-ческий (режим измерения фото-ЭДС), при котором через фотодиод протекает совсем незначительный ток, определяемый большим внутренним сопротивлением прибора или схемы, измеряющей напряжение на фотодиоде; б) фотоэлектрический режим, при котором напряжение на фотодиоде почти не меняется, благодаря чему сводятся к минимуму потери на перезарядку входной емкости; в) режим фотопроводимости, при котором на фотодиод подается большое обратное напряжение смещения. Это приводит к значительному расширению обедненной зоны и к уменьшению собственной емкости фотодиода. Однако при этом возрастают темновой ток и собственный дробовой шум фотодиода. 9. В фотодиоде Шотки вместо -перехода формируют т.н. "барьер Шотки", возникающий на границе раздела "металл – полупроводник". Для этого на фоточувствительную область кремния напылением в вакууме наносят очень тонкий, достаточно прозрачный слой золота. Этим обеспечивается чувствительность кремниевых фотодиодов также в фиолетовой и ультрафиолетовой областях спектра. 10. Благодаря внутреннему усилению фототранзисторы имеют значительно лучшую интегральную чувствительность к свету. Однако они несколько проиграют фотодиодам в быстродействии. Поэтому им отдают предпочтение там, где световые сигналы очень слабы, а максимальное быстродействие не требуется, например, в люминесцентных сенсорах.     Вопросы и Ответы к упражнениям (6) Упражнение 6.1 термо-ЭДС коэффициента термо-ЭДС Вариант 1. Какую температуру имеет горячий спай термопары хромель/алюмель , если её холодный спай находится при температуре 20°С, а регистрируемая термо-ЭДС составляет 48,00 мВ? Вариант 1. Из формулы (6.1) находим, что . Подставляя данные задачи, находим: .   Вариант 2. Горячий спай термопары медь/константан находится при температуре 400°С, а её холодный спай – при температуре 10°С. Рассчитайте измеряемую термо-ЭДС. Вариант 2. Подставляя данные задачи в формулу (6.1), находим: .   Вариант 3. Какую температуру имеет холодный спай термопары железо/константан , если её горячий спай находится при температуре 782°С, а регистрируемая термо-ЭДС составляет 42,3 мВ? Вариант 3. Из формулы (6.1) находим, что . Подставляя данные задачи, находим: .   Вариант 4. Рассчитайте коэффициент термо-ЭДС термопары платина/родий, если ее холодный спай находится при температуре 22°С, горячий спай – при температуре 1782°С, а регистрируемая термо-ЭДС составляет 20,6 мВ? Вариант 4. Из формулы (6.1) находим, что . Подставляя данные задачи, находим: .     on_load_lecture()

Вопросы для самопроверки 7.

1. Какие сенсоры относятся к классу электромагнитных?

2. Назовите основные диапазоны радиоволн.

3. Что такое магнитодиагностика?

4. Назовите основные виды индуктивных сенсоров.

Ответы на вопросы 7.

1. К классу электромагнитных относятся сенсоры, в которых первичные сигналы об исследуемом объекте или явлении возникают в виде изменения магнитного поля или в виде сигналов электромагнитной индукции.

2. Радиоволны по длине волны разделяют на диапазоны:

• длинных волн (ДВ, длина волны 1...10 км, частота 300...30 кГц);
• средних волн (СВ, длина волны 100...1000 м, частота 3...0,3 МГц);
• коротких волн (КВ, длина волны 10...100 м, частота 30...3 МГц);
• ультракоротких или метровых волн (УКВ, длина волны 1...10 м, частота 300...30 МГц, англ. VHF - Very High Frequecy);
• дециметровых волн (англ. UHF - Ultra High Frequecy, длина волны 1...10 дм, частота 3000...300 МГц);
• сантиметровых волн (длина волны 1...10 см, частота 30...3 ГГц);
• миллиметровых волн (длина волны 1...10 мм, частота 300...30 ГГц).

3. Магнитодиагностика – это методика контроля механических свойств и микроструктуры материалов, соблюдения технологических режимов их изготовления посредством измерения их магнитных свойств.

Дата добавления: 2015-08-09