Оптоэлектронные датчики - Козлов В.Л.
Скачать (прямая ссылка):
¦Щя =44kTRB , Jf[R = л/4kTB / R , (48)
где к=1,38-10-23Дж-К-1 - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура в Кельвинах, В - полоса пропускания измерительной аппаратуры. Мощность шума в резисторе не зависит от величины сопротивления R
Pb = Ё2Ш / R = IbRR = 4kTB = JERffR . (49)
Измерение vERR с помощью вольтметра, регистрирующего эффективное значение напряжения, позволяет при известных R и В определить T; измерение Pb дает дополнительное удобство, поскольку в этом случае не требуется знать R.
Определение шумового напряжения методом балансировки. Пусть изменяемое сопротивление Rc имеет неизвестную температуру Тс. Среднеквадратическое шумовое напряжение на этом резисторе равно: ElR = 4kTcRcB . Переменное сопротивление резистора, находящегося при температуре Т1, устанавливается при таком значении R1, при котором его шумовое напряжение и шумовое напряжение на резисторе R? одинаковы
4kTcRcB = 4kT1R1B, или Tc = (R /Rc )TX. (50)
При использовании этого метода необходимо предварительно определить R0, R1 и T1. Кроме того, в этих двух измерениях должна быть одинаковой полоса пропускания, что достигается посредством регулирования емкости Сс. параллельной резистору Ra таким образом, чтобы выполнялось соотношение RcCc = RlCl
Определение мощности шума. Мощность шума определяется посредством последовательных измерений эффективного значения шумового
напряжения разомкнутой цепи JETr = V 4kTRB , и эффективного значения шумового тока короткозамкнутой цепи JibRR = V4kTB / R . Затем
38
производится перемножение результатов этих измерений. На рис. представлена схема измерений.
14
Рис. 14. Схема измерения мощности теплового шума сопротивления
Необходимо соблюдать предосторожность, чтобы собственный шум приборов или внешних помех был значительно ниже уровня теплового шума измерительного резистора. Погрешность измерений температуры в такой схеме меньше 1%. Этот метод интересен тем, что он не требует никаких предварительных измерений и, кроме того, измерение не зависит от величины сопротивления Rt. Последняя особенность важна в случае измерений при высоких температурах и в агрессивных средах, например в ядерных реакторах, где возможны изменения электрических параметров (сопротивления, э. д. с.) используемых датчиков.
5.2. Кварцевые термометры
Классическим применением кварца является создание генераторов частоты с очень высокой стабильностью, в частности, температурной. Для этого пластинку кварца выбирают с такой кристаллографической ориентацией, при которой влияние изменений температуры на частоту кварцевого генератора минимально. При использовании кварца в качестве датчика температуры, наоборот, пластинку выбирают с такой кристаллографической ориентацией, при которой частота генератора является квазилинейной функцией температуры кварцевой пластинки. Изготовленный таким образом датчик обладает высокими точностью и чувствительностью. Вблизи одной резонансных частот механических колебаний пластинка кварца с электрической точки зрения представляет собой двух-
L C
—rrrrrs—| |_|-
R
Со
Рис. 15. Эквивалентная электрическая схема пластины кварца
39
полюсник, состоящий из двух параллельных ветвей (рис. 15). Первая ветвь содержит L, С, R; значения ее параметров определяются геометрическими, механическими и кристаллографическими характеристиками пластинки. Вторую ветвь образует емкость Со, обусловленная наличием металлических электродов. Отношение С/С0 обычно находится в преде-
2 3
лах 10 - 10 . Этот двухполюсник имеет две цепи электрического резонанса: последовательную L, С, R с резонансной частотой f = 1/2nVLC и параллельную с емкостной ветвью С0 и индуктивной L, С, R резонансная частота которой равна fp = 1/2n^LC [1/(1 + C / C0) . Эти частоты очень близки:
(fp - f)/ f =(1/2)(C/Co) (51)
Кварцевый генератор синусоидальных колебаний состоит из усилителя и цепи обратной связи (рис. 16а), где А - коэффициент усиления усилителя; фа - вносимый им сдвиг фазы; в - коэффициент обратной связи, равный отношению амплитуды сигнала, подаваемого на вход усилителя, к амплитуде сигнала на его выходе; фг - сдвиг фазы в цепи обратной связи. Для возникновения колебательного режима должны выполняться два условия: |^Р| > 1, фa + фг = 2п . В качестве примера на рис.16б представлена простая схема генератора на полевом транзисторе.
Рис. 16. Кварцевый генератор частоты: а—принципиальная схема; б—пример простой схемы кварцевого генератора.
Чувствительность к температуре. С изменением температуры изменяются размеры пластинки, ее плотность и модули упругости, что сопровождается изменением частот механического резонанса f = (n /l)л/c / р и значений параметров L, С, R, являющихся электрическими характеристиками пластинки.
В общем случае имеем: f (T) = f0(1 + aT + bT2 + dT3|,где Т выража-
40
ется в °С, или А/ / f0 = aT + bT2 + dT3, где А/ = f (T) - /0. Значения коэффициентов а, b, d зависят от среза пластинки. Срез LC (линейный) характеризуется фактически нулевым значением коэффициентов b и d. Поэтому чувствительность резонансной частоты к температуре для него является постоянной величиной S = А/ / AT = af0
