13288

Моделирование работы пироэлектрического датчика в среде Electronics Workbench

Лабораторная работа

Информатика, кибернетика и программирование

Лабораторная работа №4 Моделирование работы пироэлектрического датчика в среде Electronics Workbench Цель исследования: Моделирование работы пироэлектрического датчика в среде Electronics Workbench и виртуальные измерения внешнего теплового потока заданного периодической пос

Русский

2013-05-11

367 KB

55 чел.

Лабораторная работа №4

Моделирование работы пироэлектрического датчика в среде Electronics Workbench 

Цель исследования: Моделирование работы пироэлектрического датчика в среде Electronics Workbench и виртуальные измерения внешнего теплового потока, заданного периодической последовательностью прямоугольных  импульсов.

Задание на выполнение лабораторной работы

1. Теоретическая часть 

  1.  Изучить физические принципы, которые лежат в основе пироэлектрического эффекта и необходимы для понимания процесса виртуальных измерений, а также вывод формул, определяющих зависимость выходного напряжения  датчика от формы и длительности внешнего теплового импульса [1] (стр. 100-106)
    1.  Изучить работу функционального генератора и осциллографа программного пакета EWB 5.12 [2] (стр. 10-15)

2  Эксперементальная часть

2.1 Виртуальные измерения выходного напряжения пироэлектрического датчика в зависимости от параметров внешнего теплового потока и тепловой постоянной времени

2.1.1. Оптимизация работы эквивалентной схемы пироэлектрического датчика     

         

         а)   Собрать  схему  рис.1.1.

Рис.1.1 Эквивалентная схема пироэлектрического датчика

б) Установить на панели функционального генератора режим последовательности прямоугольных импульсов; частоту повторения импульсов  (frequency) – 0.5 Гц; отношение длительности импульса  к периоду импульсной последовательности  в процентах (duty cycle) – 25%; амплитуду импульса (amplitude) – 5 В.  

в) Установить значения сопротивления  = 1кОм и ёмкости  =  0.2 мФ.

г) Установить на панели осциллографа режим: «открытого» входа (DC), временной развёртки (Y/T) с длительностью (TIME BASE)  0.5сек/дел.(0.5s/div), ждущий (TRIGGER) с запуском развёртки (EDGE) по переднему фронту запускающего сигнала (левая кнопка), автоматический (AUTO).

д) Установить на панели осциллографа чувствительность для сигнала функционального генератора (внешнего теплового импульса) в канале A (channel A)  10 В/дел.(10 V/div.) и сместить его (Y POSITION) его вниз  на  2.

е) Установить на панели осциллографа чувствительность для выходного сигнала  (выходное напряжение пироэлектрического датчика) в канале В (channel B)  50 В/дел.(50 V/div.) и сместить его (Y POSITION) вверх на 2.    

ж) Выделить и запомнить часть графика выходного сигнала, которая должна соответствовать формуле

                              (1),

где  .

2.1.2 Виртуальные измерения зависимости выходного сигнала пироэлектрического датчика от длительности теплового импульса  

        

а) Собрать схему рис. 1.1

б) Установить на панели функционального генератора режим последовательности прямоугольных импульсов; частоту повторения импульсов  (frequency) – 0.5 Гц; амплитуду импульса (amplitude) – 5 В.

Пункты в) – е) соответствуют пунктам в) – е) из 2.1.1

ж)  Меняя на панели функционального генератора отношение (duty cycle) от 10% до 50% с шагом 10%, получить и запомнить на панели осциллографа  5 графиков выходного сигнала.

= 10%

= 20%

= 30%

= 40%

= 50%

2.1.3 Виртуальные измерения зависимости выходного сигнала пироэлектрического датчика от частоты повторения тепловых импульсов           

         

а)   Собрать  схему  рис.1.1.

б) Установить на панели функционального генератора режим последовательности прямоугольных импульсов; отношение длительности импульса  к периоду импульсной последовательности  в процентах (duty cycle) – 25%; амплитуду импульса (amplitude) – 5 В.  

         

Пункты в) – е) соответствуют пунктам в) – е) из 2.1.1

ж) Меняя на панели функционального генератора частоту повторения импульсов  (frequency) от 0.3 Гц до 1.1 Гц с шагом 0.2 Гц получить и запомнить на панели осциллографа 5 графиков выходного сигнала

= 0.3 Гц

= 0.5 Гц

= 0.7 Гц

= 0.9 Гц

= 1.1 Гц

2.1.4 Виртуальные измерения зависимости выходного сигнала пироэлектрического датчика от тепловой постоянной времени      

Пункты а), б), г), д) соответствуют  пунктам а), б), г), д) из 2.1.1

в) Меняя сопротивление  от 0.4 до 1.2 Ом с шагом 0.2 Ом получить и запомнить на панели осциллографа 5 графиков выходного сигнала          

= 0.4 Ом

= 0.6 Ом

= 0.8 Ом

= 1.0 Ом

= 1.2 Ом

         

Контрольные вопросы к работе

  1.  Какие материалы называются пироэлектриками?
  2.  Каков физический принцип действия пироэлектрического датчика

    и чем он отличается от физического принципа действия термопары?

  1.  Что такое первичное пироэлектричество?
  2.  Что такое вторичное пироэлектричество?
  3.  Какова эквивалентная схема пироэлектрического датчика?
  4.  Какова формула для выходного напряжения пироэлектрического датчика при воздействии на него последовательности прямоугольных тепловых импульсов?
  5.  Как определяется тепловая постоянная времени?

Ответы на вопросы:

  1.  Пироэлектрики- это материалы с кристаллической структурой, в которых при воздействии на них тепловым потоком появляются электрические заряды.
  2.  Пироэлектрический детектор можно представить в виде конденсатора, электрически заряжающегося от потока тепла. Этому датчику требуется лишь соответствующая интерфейсная электронная схема для измерения заряда. В отличие от термопар( термоэлектрических устройств), на выходе которых появляется постоянное напряжение, когда два спая различных металлов находятся при стационарной, но разной температуре, в пироэлектриках формируется заряд в ответ на изменение температуры. Также пироэлектрические устройства являются детекторами потока тепла, т.к. изменение температуры происходит при перемещении тепловых волн.
  3.  Первичное пироэлектричество- изменение ориентации диполей из- за их возбуждения при повышении температуры. Также изменение температуры может привести к удлинению или укорачиванию отдельных диполей.
  4.  Вторичное пироэлектричество- следствие пьезоэлектрического эффекта(например, возникновение напряжения в материале из-за теплового расширения).

  1.   

Пояснение схемы: схема состоит из следующих компонентов: а)источник тока – J,  приводящего к появлению тепла;

б)емкости детектора – C;

в)сопротивление утечки – R;

  1.  Q      r 0/h, где РQ- пироэлектрический коэффициент по заряду, А- площадь датчика, Се- емкость датчика, r- диэлектрическая проницаемость, 0- электрическая постоянная, h- толщина датчика.
  2.  Т= CR=cAhR, где С- теплоемкость, R- тепловое сопротивление, с- удельная теплоемкость чувствительного элемента.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

82906. Додавання і віднімання чисел другого розряду (круглих десятків) 39.5 KB
  Мета: Ознайомити учнів із додаванням і відніманням круглих десятків, вправляти у розв’язанні простих і складених задач, розвивати мислення, пам’ять, спостережливість, увагу, формувати вміння записувати і розв’язувати вирази з дужками, виховувати старанність, працелюбність.
82908. Вправи на закріплення таблиці множення числа 5. Розв’язування задач на збільшення та зменшення числа в кілька разів 79.5 KB
  Розвязування задач на збільшення та зменшення числа в кілька разів. Закріплювати знання табличного множення числа 5; удосконалювати обчислювальні навички вміння розвязувати задачі на збільшення та зменшення числа в кілька разів; розвивати логічне мислення...
82909. Ділення і множення багатоцифрових чисел на двоцифрове. Свято Великодня. Робота з геометричним матеріалом 367 KB
  Мета: слайд № 2 навчальна: удосконалювати з учнями алгоритм письмового множення та ділення багатоцифрових чисел на двоцифрове; ознайомити учнів із народними звичаями традиціями що повязані з початком весняного календарного обрядового циклу; розвиваюча: розвивати мовлення мислення увагу память...
82910. Множення у випадку кількох нулів у множнику 210 KB
  Спробуємо знайти другий спосіб розв’язування задачі. Чому катер за той самий час пройшов більшу відстань? (Тому, що в нього була більша швидкість). Знаючи, що катер має більшу швидкість, про що ми можемо дізнатися? (На скільки швидкість катера більша, ніж швидкість буксира?) Що для цього потрібно зробити?
82911. Чи може музика передавати рух? 102 KB
  Мета: формувати в учнів уявлення про зображальні можливості музики в передачі руху. Повторення понять темп, ритм. Розвивати уявлення учнів. Виховувати любов до української народної пісні, етикетне поводження в школі. Обладнання: фортепіано, аудіозаписи, малюнки, презентація.
82912. Співучі труби. Мідні духові 33 KB
  Мета: поглибити знання про духові інструменти познайомити із мідною духовою групою особливостями звучання інструментів що входять до її складу; підвести учнів до усвідомлення значимості мідних духових інструментів для; розвивати музичну пам’ять спостережливість...
82913. Причини виникнення пожежі – порушення правил протипожежної безпеки. Правила поведінки під час виникнення пожежі 46.5 KB
  Вогонь Правильно а звідки береться вогонь Відгадайте ще одну загадку. І мають душу щедру Хоч дерева сини Згоряючи до щенту Вогонь дають вони. Бесіда Отже сьогодні ми поговоримо про вогонь. Вогонь як ви знаєте може бути добрим другом для людини але може бути і страшним ворогом який забирає життя.
82914. Вода та її властивості 180 KB
  Давайте пригадаємо що таке природа На які групи вона поділяється Повітряземля і водаце природа Природа це я і ти це природа.вода Гостею нашого сьогоднішнього уроку буде вода а наша краплинка просто відірвалась від неї. Хто пригадає: який колір має вода смак запах Сьогодні краплинка хоче розповісти нам про властивості води.