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

15523. Культура Київської Русі 22.47 KB
  Культура Київської Русі Успіхи східних словян у розвитку господарства обєднання їх в єдину державу боротьба за незалежність сприяли розквіту ранньої української культури. Київська Русь відзначалася високим рівнем культурного процесу. На Русі було багато вмілих р...
15524. Ліквідація царизмом гетьманщини і Запорізької Січі. Втрата українським народом останніх залишків автономії 15.83 KB
  Ліквідація царизмом гетьманщини і Запорізької Січі. Втрата українським народом останніх залишків автономії З приходом до влади в Росії Катерини II 17621796 було завершено справу розпочату в Україні Петром I по остаточній ліквідації української автономії. Нова імпе
15525. Люблінська унія 12.33 KB
  На початку XVI ст. Велике князівство Литовське постало перед загрозою занепаду причини: поразка у війні з Москвою загроза з боку української знаті небезпека збоку татар на південних кордонах. Наслідком цього стало підписання Люблінської унії між Литвою і Польщею. У січні...
15526. Магдебурзьке право в Україні 19.79 KB
  Магдебурзьке право і його особливості в Україні Магдебурзьким правом називають один з різновидів прав міських общин які із Західної Європи поширювалися на українські землі починаючи з XIV ст. Його назва походить від назви міста ...
15527. МЕТОДИЧНІ РЕКОМЕНДАЦІЇ З ВИЯВЛЕННЯ, ВИВЧЕННЯ, УЗАГАЛЬНЕННЯ ТА ПОШИРЕННЯ ПЕРЕДОВОГО ПЕДАГОГІЧНОГО ДОСВІДУ 388.5 KB
  МЕТОДИЧНІ РЕКОМЕНДАЦІЇ З ВИЯВЛЕННЯ ВИВЧЕННЯ УЗАГАЛЬНЕННЯ ТА ПОШИРЕННЯ ПЕРЕДОВОГО ПЕДАГОГІЧНОГО ДОСВІДУ У посібнику закомульовано матеріал який стосується виявлення вивчення і поширення передового педагогічного досвіду педагогічних працівників навчальних за
15528. Чисельність і соціальна структура українського населення Російської імперії у 19 ст 16.71 KB
  Чисельність і соціальна структура українського населення Російської імперії у 19 ст. 850 тис. кв.кмзаг.площа. 910 Росія до 1863р.134 млн. 18631890 24. Формування української еліти дворянства мало свої регіональні та соціоетнічні особливості. Поперше провідна верства украї...
15529. Церква 14-17 століття 12.23 KB
  Становище церкви. Надзвичайно тяжким було становище української православної церкви як одного з чинників культурного процесу. Проти неї вів уперту непримиренну боротьбу войовничий католицизм який офіційно підтримувала польська королівська адміністрація. Ще однією тр...
15530. ПЕРВЫЕ ВЕКА РУССКОЙ ИСТОРИИ 348 KB
  Б. А. РЫБАКОВ ПЕРВЫЕ ВЕКА РУССКОЙ ИСТОРИИ Откуду есть пошла земля Русская Первые свидетельства о государстве Руси Русь на подъеме Князь Игорь Старый и древляне Святослав и его походы Былинное время Руси Христианство и язычество Культура древней Руси ...
15531. Русская литература XX века 1.46 MB
  Новый этап в развитии русской литературы XX в. ознаменовался окончанием мирового периода в жизни народов Европы: началась Вторая мировая война, длившаяся шесть лет. В 1945 г. она завершилась поражением гитлеровской Германии. Но мирный период продолжался недолго