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

50 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

53113. Глобальное потепление. Начало развития геоинженерии 61 KB
  Учитель. Учитель В прессе идея глобального потепления мусируется давно. А рыбе понравится Учитель Можно запустить на орбиту 16 триллионов зеркал диаметром 70 см общим весом 20 млн тонн и они будут отражать солнечные лучи.
53114. ВІК І ПОШИРЕННЯ ГІРСЬКИХ ПОРІД. ЗМІНА ПРИРОДНИХ УМОВ ТЕРИТОРІЇ ПОЛТАВЩИНИ У РІЗНІ ЕРИ. ГЕОЛОГІЧНА КАРТА ПОЛТАВЩИНИ 394 KB
  Унаочнення: підручник геохронологічна таблиця географічний атлас Полтавська область зразки мінералогічної колекції скам’янілостей описи відслонень гірських порід. Як визначається абсолютний і відносний вік гірських порід 3. До магматичних та метаморфічних порід протерозою приурочені поклади чорних та кольорових металів і нерудної сировини у південній частині області.
53115. УКРАЇНОЗНАВСТВО В ДОШКІЛЬНОМУ ЗАКЛАДІ 1018.5 KB
  Ряд орієнтовних конспектів занять з різних розділів програми, сценарії свят та розваг, опис ігор та додатковий художній матеріал, які можна використати в роботі. Заняття мають в основному комплексний характер, що позитивно впливає не тільки на ознайомлення з культурою, побутом свого народу, але і на розвиток мовлення дітей. Запропоновані конспекти занять та сценарії свят апробовані...
53118. Правильні многогранники конспект уроку 288 KB
  Мета уроку: формування поняття правильні многогранники; знайомство з видами правильних многогранників: правильний тетраедр куб октаедр додекаедр ікосаедр. Відкрити гіперпосилання другого пункту плану Многокутники Застосувавши малюнки виконані за допомогою Програмного засобу Динамічна геометрія потрібно повторити : ▪ многогранний кут 360; ▪ кожен кут правильного трикутника дорівнює 60 тому з правильних трикутників можнаутворити 3 види правильних многогранників 3 60 360; 4 60 360; 5 60 360: аправильний...
53119. Інформаційно-дослідницькі проекти з геометрії 2.04 MB
  Метод координат велике відкриття Декарта. Метод координат велике відкриття Декарта. Тему Декартові координати і вектори у просторі вивчаємо 8 годин. Протягом 4х тижнів 2 команди однієї групи працювали над складанням 2х інформаційно – дослідницьких проектів: Метод координат – велике відкриття Декарта.
53120. Розв’язування прикладних задач по темі «Об’єми та площі поверхонь геометричних тіл» 7.5 MB
  Які властивості має паралелепіпед Які види паралелепіпедів ви знаєте Які властивості має прямокутний паралелепіпед Чому дорівнює площа бічної поверхні площа повної поверхні та об’єм призми Знайти площу повної поверхні та об’єми фігур. Що називається віссю та апофемою правильної піраміди Чому дорівнює площа бічної поверхні площа повної поверхні та об’єм піраміди Знайти площу повної поверхні та об’єми фігури. Чому дорівнює площа бічної площа повної поверхні та об’єм циліндра Знайдіть площу повної поверхні та об’єм...
53121. Чотирикутники 174 KB
  Чотирикутник у якого протилежні сторони паралельні Паралелограм 4. Паралелограм у якого всі сторони рівні Ромб 6. Паралелограм у якого всі кути прямі Прямокутник . Інших чотирикутників не знали пізніше їх класифікували на паралелограми ромби прямокутники.