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

56 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

21713. СТАТИСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ, АНАЛИЗА И КОНТРОЛЯ НАДЕЖНОСТИ 358.5 KB
  Сбор информации об отказе элементов технических систем В общем комплексе мероприятий по обеспечению надёжности любого изделия сбор статистической информации об отказах и оценка показателей надёжности в условиях эксплуатации являются последним заключительным этапом. При этом появляется возможность оценить реальные значения показателей надежности и следовательно оценить эффективность мероприятий по обеспечению надёжности на всех этапах проектирование производство испытания монтаж эксплуатация. Поэтому особое значение приобретает вопрос...
21714. ИСПЫТАНИЯ НА НАДЕЖНОСТЬ ЭМС. ОПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫЕ ИСПЫТАНИЯ 3.06 MB
  При определительных испытаниях могут оцениваться законы распределения отказов и их параметры. При определительных испытаниях могут оцениваться законы распределения отказов и их параметры. Однако существует универсальный план испытаний позволяющий по единой методике проводить статистическую оценку величины Р для изделий с любым законом распределения. Полученные данные по отказам изделий в результате испытаний или по данным эксплуатации подвергаются статистической обработке для получения следующих результатов: определения вида функции...
21715. Планирование эксперимента при ускоренных испытаниях электрических машин 102 KB
  ТЕМА № 2 Регрессионный анализ установившихся режимов электрической системы Для этой цели целесообразно использование регрессионного моделирования сложной системы. При этом с использованием имеющихся программ расчета установившегося режима на ЭВМ проводятся целенаправленные исследования в результате которых получаются регрессионные модели для анализа или управления. Такие модели могут быть получены при регрессионном анализе или методом планирования многофакторного эксперимента МПЭ. При этом для построения линейных моделей используется полный...
21716. Законы распределения отказов 2.99 MB
  Законы распределения отказов Случайной называется величина которая в результате испытаний может принять то или иное значение причем заранее неизвестно какое именно. Если задан ряд распределений вероятностей для значений случайной величины X то математическое ожидание определяется по формуле Показателями характеризующими степень рассеяния случайной величины около своего математического ожидания являются дисперсия и среднее квадратическое отклонение: Для более полного описания случайных величин вводятся понятия функции распределения...
21717. Экономико-организационные проблемы разгрузки предприятий при дефиците мощности и прохождении максимумов нагрузки в энергосистеме 113.5 KB
  Экономикоорганизационные проблемы разгрузки предприятий при дефиците мощности и прохождении максимумов нагрузки в энергосистеме До настоящего времени работы по созданию экономически обоснованных рекомендаций по управлению электропотреблением промышленных предприятий практически не имели ни методической базы ни руководящих указаний позволяющих обеспечивать минимум экономических потерь от изменения режимов функционирования. Выполнение отмеченных условий связано с трудностями изза неопределенности а в отдельных случаях элементарного незнания...
21718. Задачи надёжности электроснабжения 203.5 KB
  Чтобы качественно сравнивать между собой события по степени их возможности нужно с каждым событием связать определенное число которое тем больше чем более возможно событие его вероятность. Найти вероятность исправной работы РП. Если вероятность одного события не изменяется от того произошло или не произошло другое событие то такие события называются независимыми и наоборот. Вероятность суммы n несовместных событий равна сумме вероятностей этих событий: где .
21719. Показатели надежности ЭМС 141 KB
  Вероятность безотказной работы ВБР это вероятность того что при определенных условиях эксплуатации в заданном интервале времени не произойдет ни одного отказа. Кривые вероятности безотказной работы и вероятности отказов Вероятность отказа Qt это вероятность того что при определенных условиях эксплуатации в заданном интервале времени произойдет хотя бы один отказ. Отказ и безотказная работа события противоположенные и несовместимые 2 Частота отказов at есть отношение отказавших изделий в единицу времени к первоначальному числу...
21720. Расчёт надежности при последовательном (основном) соединении элементов 225.5 KB
  С точки зрения надежности различают последовательные параллельные и системы со сложной структурой. Расчёт надежности при последовательном основном соединении элементов при таком соединении отказ технического изделия наступает при отказе одного из его узлов. Для повышения надежности систем и элементов применяют резервирование: Резервирование это применение дополнительных средств иили возможностей с целью сохранения работоспособного состояния объекта при отказе одного или нескольких его элементов. Резервирование основано на...
21721. Модели отказов электроустановок 177.5 KB
  Вероятность безотказной работы такой системы определяется как вероятность безотказной работы всех элементов в течение времени t: где n число элементов последовательно соединенной системы; событие безотказной работы; вероятность безотказной работы iго элемента. В случае невосстанавливаемых элементов вероятность отказа системы определяется как вероятность совпадения отказов или m элементов в течение расчётного времени. Если отказы одного элемента не зависят от отказов других элементов то формулы для оценки вероятности безотказной...