19. Основные физические явления и принципы, использующиеся в преобразователях

• Название: 19. Основные физические явления и принципы, использующиеся в преобразователях
• Дата: 21.06.2021
• Размер: 196.73 Kb.
• Имя файла: 22.docx
• Тип: Документы; #219988

19. Основные физические явления и принципы, использующиеся в преобразователях.

Рассмотрим в общих чертах явления, происходящие в пьезоэлектрике, для двух случаев пьезоэлектрического преобразования энергии.

Пьезоэлемент (ПЭ) - тело из пьезоэлектрика определенных размеров, геометрической формы и ориентации относительно основных кристаллографических осей (или направления поляризации в случае пьезокерамики, имеющее проводящие обкладки (электроды).



Рис 1. Пьезоэлемент: 1 - пластина из пьезоэлектрика; 2 - электроды из проводящего материала, наложенные на грани пластины

Таким образом, пьезоэлемент представляет собой электрический конденсатор с твёрдым (кристаллическим или керамическим) диэлектриком. Особенностью такого конденсатора является наличие пьезоэлектрических свойств у диэлектрика, заполняющего пространство между электродами. Ниже будет показано, какое значение имеет наличие пьезоэффекта и каким образом он оказывает влияние на электрические и механические характеристики пьезоэлемента. Если пьезоэлемент используется как электромеханический преобразователь, то его ориентацию выбирают исходя из требований достижения наибольшего эффекта. Внешние силы (как механические, так и электрические), воздействующие на пьезоэлемент, могут быть как распределенными, так и сосредоточенными. Распределенные силы позволяют достичь более эффективного преобразования. Поэтому для более эффективной поляризации объема пьэзоэлектрика используют электроды,. покрывающие всю площадь граней пьезоэлемента, а для создания равномерно распределенного механического напряжения - накладки из упругого материала, хорошо прилегающие к граням пьезоэлемента и преобразующие внешние сосредоточенные силы в распределенные.

Внешняя сила вызывает деформацию пьезоэлемента, его поляризацию и возникновение на электродах противоположных электрических зарядов. Величина электрического заряда или возникающего при этом напряжения может быть измерена соответствующим измерительным прибором, присоединенным к электродам пьезоэлемента. Внешняя сила сообщает пьезоэлементу энергию в виде упругой деформации, которая может быть рассчитана, если известны величины воздействующей силы и жёсткость пьезоэлемента. Одновременно с деформацией пьезоэлемента на его электродах возникает электрическое напряжение. Следовательно, часть энергии, сообщаемой пьезоэлементу внешней силой, оказывается электрической и её величина может быть рассчитана, если известны электрическое напряжение на электродах и ёмкость пьезоэлемента.

Внешняя механическая сила, воздействующая на пьезоэлемент, сообщает последнему энергию W0 в виде энергии упругой деформации и энергии заряда ёмкости пьезоэлемента. Если обозначить энергию упругой деформации пьезоэлемента через Wм, а электрическую энергию заряда его ёмкости через Wэ, то полная энергия W0, сообщенная пьезоэлементу, будет равна их сумме. Как во всяком обратимом преобразователе, при этом возникает обратное действие (пьезоэлектрическая реакция), заключающееся в том, что возникшее вследствие прямого пьезоэффекта электрическое напряжение создаёт (уже в результате обратного пьезоэффекта) механические напряжения и деформации, противодействующие внешним силам. Это проявляется в увеличении жесткости пьезоэлемента. Если электрическое напряжение, возникающее вследствие пьезоэффекта, исключить, например, закоротив электроды пьезоэлемента, то обратного пьезоэлектрического действия наблюдаться не будет, следовательно, должно произойти уменьшение жесткости пьезоэлемента.

32. Принципы распространения света в оптических волноводах.

Мода – это одно из общих понятий, применяемых в оптике. Математически волноводная мода определяется как решение волнового уравнения, удовлетворяющее соответствующим граничным условиям и пространственное распределение которого не изменяется в продольном направлении. Моды, локализованные в оптическом волноводе, называются направляемыми модами, а моды, неограниченные в поперечном направлении, называются модами утечки. Распространение сигналов в системах волоконно-оптической связи происходит только в виде направляемых мод. На языке волновой оптики каждая волноводная мода формируется интерференционным сложением парциальных волн в плоскости, перпендикулярной оси волновода.

В случае плоского диэлектрического волновода это означает, что компонента, перпендикулярная оси волновода, формирует интерференционную картину между двумя поверхностями волновода. Иными словами, волноводная мода эквивалентна стоячей волне перпендикулярной оси и бегущей волне вдоль оси. Следовательно, распределение интенсивности света в сердцевине прямоугольного волновода пропорционально квадрату косинуса. Распределение моды низшего порядка (поперечный индекс m=0) соответствует одному периоду косинуса (см. на рис. 1). Моды более высокого порядка характеризуются осциллирующим распределением поля. Направляемая мода наивысшего порядка пересекает поверхность под углом, значение которого почти равно величине критического угла. В идеальном диэлектрическом волноводе (т.е. волноводе без потерь) на любой фиксированной частоте может распространяться лишь конечное число волноводных мод.

Характер распространения света в одномодовых и многомодовых волноводах очень существенно отличается. Волновой фронт световой волны, распространяющийся в одномодовом волноводе, остается неизменным, что иллюстрирует рис. 1. В одномодовом волноводе всегда распространяется волна, поперечная структура которой имеет колоколообразный вид (рис. 1а). Как бы не изменялись условия ввода входного пучка, форма распространяющегося пучка остается неизменной (рис. 2).



Рисунок 2 – Распространение светового пучка в одномодовом волноводе



Рисунок 3 – Распростронение светового пучка в одномодовом волноводе при несогласованном вводе излучения

Стационарная форма распространяющейся волны устанавливается на расстоянии нескольких миллиметров. В многомодовом волноводе могут распространяться сразу несколько мод. Поскольку фазовые скорости распространения различных мод неодинаковы, то структура поля меняется. Как видно из рис. 3, в волноводе с прямоугольным профилем показателя преломления на расстоянии нескольких миллиметров пучок расплывается по всему волноводу. Совсем другой характер распространения наблюдается в градиентном волноводе. При возбуждении согласованным гауссовым пучком пучок распространяется практически без искажения формы. При возбуждении несогласованным пучком его размер периодически увеличивается и уменьшается.



Рисунок 4 – Распространение различных мод в многомодовом волноводе с прямоугольным профилем показателя преломления.

Задание 2
Любая система охраны периметров предполагает использование сенсорных элементов (датчиков), которые устанавливаются вдоль охраняемого периметра. Датчики можно монтировать непосредственно на охраняемой ограде, устанавливать в виде отдельно стоящих конструкций или располагать под землей.

Для подземных датчиков характерны некоторые специфические особенности.

Подземные сенсоры позволяют защитить неогражденные периметры, на которых невозможно установить сигнальное ограждение или отдельно стоящие датчики (многолучевые оптические, радиолучевые или др.).

Возможность скрытного монтажа сенсоров, что делает их невидимыми для потенциального нарушителя. Большинство подземных датчиков являются пассивными - они не генерируют каких-либо излучений, поэтому их практически невозможно обнаружить не только визуально, но и радиотехническими методами.

Подземные датчики эксплуатируются в более жестких условиях, чем датчики на ограде или на открытом пространстве, а их обслуживание или ремонт зачастую затруднены. Это обуславливает повышенные требования в части герметизации устройств, стойкости к механическим воздействиям и долговечности эксплуатации.

Для подземных систем охраны периметров наиболее часто применяются датчики нескольких типов:

• 
  волоконно-оптические кабельные сенсоры;
  
• 
  дискретные датчики вибраций: гео-фонные или пьезоэлектрические;
  
• 
  радиоволновые сенсоры (кабели вытекающей волны);
  
• 
  барометрические сенсоры;
  
• 
  магнитометрические сенсоры. Далее мы рассмотрим принципы действия различных подземных систем для охраны периметров.
  

Периметр - это прилегающая ограниченная территория охраняемого объекта. Периметральная охрана объекта представляет собой наружную систему безопасности, подразумевает использование различных датчиков, блоков обработки информации и линий связи, может быть сопряжена с внутренней системой безопасности объекта, наружным видеонаблюдением. Это первый и один из основных рубежей охраны объекта.

Периметральные системы охраны выполняют очень важную функцию - обнаружение нарушителя до того, как он проникнет на объект. Используя наружную систему охраны, сотрудники службы безопасности могут своевременно принять меры и пресечь действия нарушителя сразу после его проникновения на территорию объекта.

По сравнению с традиционными электронными системами безопасности периметральные системы представляют собой более сложный комплекс технических средств по обеспечению безопасности и считается более затратной. В состав системы входят периметральные датчики охраны, устойчивые к влаге, перепадам температур и другим негативным климатическим воздействиям, а также блоки обработки данных.

Что из себя представляет система и как она работает?

Периметральная система охраны взаимодействует с сигнализацией и видеонаблюдением. Используется на заводах, складах, бизнес центрах, логистических предприятиях, медицинских учреждениях, а также для охраны территории крупного предприятия или частной территории. 
При построении системы необходимо учитывать масштаб территории, планировку объекта, особенности рельефа, климат, функционал внутренней системы безопасности, а также обозначить потенциальные места проникновения.
На предварительном этапе определяется степень защиты, необходимость и тип взаимодействия системы с другими охранными комплексами, а также решается где будет пролегать кабельная трасса.

Основные критерии эффективности периметральной охранной системы

Не должно быть "мертвых зон", должны быть учтены все возможные места вторжения

Возможность обнаружить и пресечь нарушителей до его проникновения на объект

Устойчивость к различным видам помех (животные, шум транспорта, различные виды электромагнитных излучений)

Минимальная вероятность ложного срабатывания

Предусмотренная грозозащита

Устойчивость к любым погодные условиям (туман, дождь, порывистый ветер)

Скрытая установка датчиков

Типы периметральных систем

Заградительные системы состоят из ограды, проволоки разных типов, ограждения Егоза и других пассивных элементов.

Сигнализационные включают в себя пассивные и активные инфракрасные датчики.

Заградительно-сигнализационные представляют собой комбинацию первых двух и бывают электрошоковые, электроконтактные и емкостные.

Сигнализационные системы охраны периметра классифицируются в зависимости от типа используемых датчиков и подразделяется на:

Вибрационные системы охраны периметра реагируют на механические колебания ограждения,  система преобразует эти колебания в электрический сигнал и формирует сигнал тревоги.

Оптические датчики представляют собой 2 блока, один из которых - приемник, а второй - передатчик ИК излучения, блоки устанавливаются на определенном расстоянии друг от друга и генерируют инфракрасный луч, при пересечении которого срабатывает сигнализация.

Радиоволновые системы охраны периметра подходят для ограждения из немагнитного материала и состоят из двух параллельно разъединеных проводников, между которыми образуется электромагнитное поле, посторонний предмет при контакте с этим полем искажает его, что воспринимается блоком обработки сигнала как вторжение.

Радиоволновые системы имеют возможность скрытой установки, они также характеризуются объемной зоной обнаружения и устойчивостью к капризам погоды. Бывают радиолучевые и проводноволновые периметральные системы. Они являются разновидность радиоволновых систем. Радиолучевые датчики работают по принципу, схожему с работой ИК датчиков, генерируют электромагнитное поле эллиптической формы, проводноволновые системы представляют собой параллельно расположенные провода - приемник и передатчик, которые образуют электромагнитное поле при подаче на них тока.

Задание 3

Вариант 22

Охранная сигнализация с контролем по напряжению. Дано:

Rут, кОм	20
Rшс, Ом	100
Uпит, В	12
Rпр, кОм	2.4
Uизв	1/3Uпит
RокRи	Rи
Количество ШС	1
Тип извещателей	Охранные нормально замкнутые (НЗ) – 2 шт.

Используются резисторы с параметрами разброса ±5 %.

1. Произведём расчёт R_ок и R_и:











2. Произведём расчёт уровней напряжения шлейфа для нормального состояния:

а) U_min при R_{экв min} и R_{пр max}:

R_ок–5 %=R_ок·0,95=1117,8 Ом; R_пр+5 %=R_пр·1,05=2520 Ом;





б) U_maх при R_{экв max} и R_{пр min}:

R_ок+5 %=R_ок 1,05=1235,4 Ом; R_пр–5 %=R_пр 0,95= 2280Ом;





Уровни напряжения шлейфа для нормального состояния:

; .

3. Произведём расчёт уровней напряжения шлейфа для состояния, когда сработал один датчик:

а) U_min при R_{экв min} и R_{пр max}:

R_ок–5 %=R_ок 0,95=1117,8 Ом; R_изв–5 %=R_ок·0,95=1117,8 Ом;

R_пр+5 %=R_пр·1,05=2520 Ом;







б) U_min при R_{экв max} и R_{пр min}:

R_ок+5 %=R_ок 1,05=1235,4 Ом; R_изв+5 %=R_ок 1,05=1235,4 Ом;

R_пр-5 %=R_пр 0,95=2280 Ом;







Уровни напряжения шлейфа для состояния, когда сработал один датчик: ; .

4. Произведём расчёт уровней напряжения шлейфа для состояния, когда сработали два датчика.

а) U_min при R_{экв min} и R_{пр max}:

R_ок–5 %=R_ок·0,95=1117,8 Ом; R_изв–5 %=R_ок·0,95=1117,8 Ом;

R_пр+5 %=R_пр·1,05=2520Ом;







б) U_max при R_{экв max} и R_{пр min}:

R_ок+5 %=R_ок 1,05=1235,4 Ом; R_изв+5 %=R_ок 1,05=1235,4 Ом;

R_пр–5 %=R_пр 0.95=2280 Ом;







Уровни напряжения шлейфа для состояния, когда сработали два датчика: ; .


Рисунок 5 Графики уровней напряжения при сработке датчиков НЗ

Пожарная сигнализация с контролем по напряжению. Дано:

Rут, кОм	20
Rшс, Ом	100
Uпит, В	14
Rпр, кОм	1
Uизв	0,9 Uпит
Rок	Rи
Количество ШС	1
Тип извещателей	Пожарные нормально открытые (НО) (2 шт.)

Используются резисторы с параметрами разброса ±5 %.

1. Произведём расчёт R_окиR_и:











2. Произведём расчёт уровней напряжения шлейфа для нормального состояния.

а) U_min при R_{экв min} и R_{пр max}:

R_ок–5 %=Rок·0,95=15450 Ом; R_пр+5 %=R_пр 1,05=1050 Ом;





б) U_max при R_{экв max} и R_{пр min}:

R_ок+5 %=R_ок 1,05=17076 Ом; R_пр–5 %=R_пр 0,95=950 Ом;





Уровни напряжения шлейфа для нормального состояния:

; .

3. Произведём расчёт уровней напряжения шлейфа для состояния, когда сработал один датчик:

а) U_min при R_{экв min} и R_{пр max}:

R_ок–5 %=R_ок 0,95=15 450 Ом; R_изв–5 %=R_ок 0,95=15 450 Ом; R_пр+5 %=R_пр 1,05=1050 Ом;





б) U_max при R_{экв max} и R_{пр min}:

R_ок+5 %=R_ок 1,05=17 076 Ом; R_изв+5 %=R_ок 1,05=17 076 Ом;

R_пр-5 %=R_пр 0,95=950 Ом;





Уровни напряжения шлейфа для состояния, когда сработал один датчик:

; .

4. Произведём расчёт уровней напряжения шлейфа для состояния, когда сработали два датчика:

а) U_min при R_{экв min} и R_{пр max}:

R_ок–5 %=R_ок 0,95=15 450 Ом; R_изв–5 %=R_ок 0,95=15 450 Ом; R_пр+5 %=R_пр 1,05=1050 Ом;





б) U_max при R_{экв max} и R_{пр min}:

R_ок+5 %=R_ок 1,05=17 076 Ом; R_изв+5 %=R_ок 1,05=17 076 Ом;

R_пр–5 %=R_пр 0,95=950 Ом;





Уровни напряжения шлейфа для состояния, когда сработали два датчика:

; .


Рис.6. Графики напряжений при сработке датчиков НО