Основные физические явления, эффекты и принципы, применяемые при создании датчиков

Введение

 

В современном мире измерения определяют прогресс в науке и технике и являются существенным фактором развития человеческой цивилизации. Фундамент измерений образуют чувствительные элементы, называемые датчиками. Также датчики являются устройствами, расширяющими возможности органов чувств человека.

Производство датчиков для разнообразных измерительных систем является одним из наиболее динамичных секторов мировой экономики. В 2005 году общий объем продаж датчиков в мире составлял порядка 13 миллионов долларов. Средний рост объема продаж составляет порядка 6% в год, однако производство датчиков для автомобилей и интеллектуальных датчиков растет со скоростью до 20% в год.

Разработчики стремятся улучшать параметры изготавливаемых устройств во всех аспектах: снижать габаритные размеры, увеличивать чувствительность, удешевлять продукцию. Основными направлениями в развитии и разработке являются улучшение выходных характеристик, повышение помехоустойчивости, снижение погрешности измерений, а также увеличение точности и разрешающей способности датчиков. В большинстве известных областей применения и производства датчиков получают развитие новейшие технологии с приставками микро и нано.

Область применения датчиков невозможно описать с преувеличением. Датчики присутствуют всюду в нашей повседневной жизни: начиная от простейших устройств (расходомеры воды и газа в помещениях, бытовые электросчетчики) и заканчивая самыми прогрессивными и важными (нанодатчики в медицине, автомобильной и электронной промышленности).

 

Элементы базовой теории ГМС

 

Электрический ток в металлических проводниках (металлах и сплавах) обусловлен перемещением под действием электрического поля слабо связанных с кри­сталлической решеткой валентных электронов, кото­рые являются носителями электрического тока, то есть электронами проводимости. При отсутствии электри­ческого поля эти электроны хаотически перемещаются по кристаллу. При включении электрического поля на хаотическое тепловое движение этих электронов на­кладывается упорядоченное перемещение электронов проводимости в сторону положительного потенциала.

Электроны являются квантовыми частицами, об­ладающими волновыми свойствами, поэтому сущест­венное значение имеет взаимодействие электронных волн с кристаллической решеткой. В правильной кри­сталлической периодической решетке электронные волны распространяются свободно, испытывая только столкновения друг с другом, в результате которого воз­никает небольшой по величине вклад за счет рассеяния при электрон-электронных столкновениях р₀. Тепло­вые колебания атомов, образующих кристаллическую решетку, приводят к нарушению периодического распо­ложения этих атомов, вследствие чего происходит рас­сеяние электронов проводимости на фононах – тепло­вых колебаниях атомов и возникает фононный вклад в электросопротивление ρ_ф(T), возрастающий с темпера­турой. Кроме того, существует остаточное электросо­противление ρ₀, которое обычно предполагается незави­сящим от температуры и вызывается рассеянием на искажениях, дефектах кристаллической решетки, а также на атомах примесей.

В магнитоупорядоченных материалах (ферромаг­нетиках, ферримагнетиках и антиферромагнетиках) существует также значительный по величине магнит­ный вклад в электросопротивление, обусловленный рассеянием электронов проводимости на магнитной структуре, образованной магнитными моментами ато­мов.

Во многих металлических магнетиках эти вклады аддитивно складываются:

(4.1)

Магнитный вклад ρ_м в некоторых материалах очень велик и даже превышает остальные вклады. Рассеяние электронов проводимости на магнитном беспорядке пропорционально среднему значению квадрата спина магнитного атома, рассеивающего электроны прово­димости. Это рассеяние максимально в парамагнитном состоянии, где магнитные моменты атомов хаотически располагаются по различным направлениям.

В случае редкоземельных ферро- и антиферромаг­нитных металлов (Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm) рассеяние электронов проводимости, которыми являются ва­лентные электроны (5 d - и 6 s -типов), происходит на ло­кализованных 4 f -электронах, являющихся носителями магнитного момента ионов редких земель, образующих кристаллическую решетку. Это рассеяние происходит за счет так называемого s – f -обменного взаимодействия электронов проводимости и 4 f -электронов.

В 3 d -ферромагнитных материалах (Fe, Co, Ni) кро­ме 4 s -электронов в процессах проводимости принима­ют участие также и магнитные 3 d -электроны. Магнит­ный момент этих металлов отражает разбаланс между числом 3 d -электронов со спинами, направленными “вверх” (по направлению результирующей намагни­ченности), и числом 3 d -электронов со спином “вниз” (рис. 1.1.). Электроны, переносящие электрический ток, – это электроны на уровне Ферми E _F – на верхушке зоны заполненных состояний.

В нормальном металле, например меди, N ₊ = N _-, поэтому намагниченность равна нулю и электроны про­водимости не поляризованы. В ферромагнитных 3 d -ме­таллах (Fe, Co, Ni) происходит “перетекание” 3 d -элек­тронов из одной зоны в другую, чтобы скомпенсировать возрастание кинетической энергии электронов при возникновении обменного взаимодействия между ни­ми. Как видно из рис. 1, в результате обменного рас­щепления 3 d -зон в 3 d -металлах зоны электронов со спинами “вверх” и “вниз” заполнены неодинаково и обладают разной плотностью состояний N (E) на уровне Ферми E _F. Намагниченность I равна просто магнитному моменту электрона µ_B, помноженному на разность электронов в 3 d -зонах (N ₊ - N _-):

 

Рис. 4.1.1. Зависимость плотности состояний N(E) в меди и кобальте от энергии E 3d-электронов. Зоны заполненных состояний для зоны со спином “вверх” и для зоны со спином “вниз” окрашены в голубой цвет, E_F – уровень Ферми, отделяющий заполненные состояния от незаполненных.

Существенно, что поляризованные 3 d -электроны (во всяком случае их значительная часть) принимают участие в процессах проводимости наряду с валентны­ми электронами (s- и p -типа).

Для оценки эффективности спин-поляризованного транспорта носителей тока важно определить, на каких расстояниях при своем движении электрон проводимо­сти “помнит” или, строго говоря, сохраняет ориента­цию своего спина. Характерная длина этого расстояния l _s пропорциональна произведению средней скорости электрона на время спиновой релаксации x_s, в течение которого сохраняется направление спина движущегося электрона проводимости. Несмотря на сложность дан­ного вопроса, можно полагать на основе последних экспериментальных данных, что во многих металличе­ских ферромагнетиках величина l _s превышает 1–10 нм, что позволяет при определенных условиях наблюдать эффекты спин-поляризованного транспорта.

 

Магнитооптические эффекты

Эффект Фарадея.

Этот эффект был открыт в 1845 году. Открытие магнитооптического эффекта долгое время имело значение в чисто физическом аспекте, но за последние десятилетия оно дало много практических выходов. Принципиальная схема устройства для наблюдения и многих применений эффекта Фарадея показана на рис. 4.5.1.

Схема состоит из источника света, поляризатора, анализатора и фотоприемника. Между поляризатором и анализатором помещается исследуемый образец. Угол поворота плоскости поляризации отсчитывается по углу поворота анализатора до восстановления полного гашения света при включенном магнитном поле.

 

Интенсивность прошедшего пучка определяется законом Малюса

(4.5.1)

На этом основана возможность использования эффекта Фарадея для модуляции пучков света. Основной закон, вытекающий из измерений угла поворота плоскости поляризации , выражается формулой

(4.5.2)

где - напряженность магнитного поля,

- длина образца, полностью находящегося в поле

- постоянная Верде, которая содержит в себе информацию о свойствах, присущих исследуемому образцу, и может быть выражена через микроскопические параметры среды.

Рис. 4.5.2. Проявление магнитооптического эффекта Фарадея.

Основная особенность магнитооптического эффекта Фарадея состоит в его не взаимности, т.е. нарушении принципа обратимости светового пучка. Опыт показывает, что изменение направления светового пучка на обратное /на пути "назад"/ дает такой же угол поворота и в ту же сторону, как на пути "вперед". Поэтому при многократном прохождении пучка между поляризатором и анализатором эффект накапливается. Изменение направления магнитного поля, напротив, изменяет направление вращения на обратное. Эти свойства объединяются в понятии "гиротропная среда".

Интерес к этому эффекту обусловлен применением в физике, оптике и электронике, для таких задач, как:

- определение эффективной массы носителей заряда или их плотности в полупроводниках;

- амплитудная модуляция лазерного излучения для оптических линий связи и определение времени жизни неравновесных носителей заряда в полупроводниках;

- изготовление оптических невзаимных элементов;

- визуализация доменов в ферромагнитных пленках;

- магнитооптическая запись и воспроизведение информации как в специальных, так и бытовых целях.

4.5 .2 Эффект Коттона – Мутона.

Эффект Коттона – Мутона - один из эффектов магнитооптики, заключающийся в возникновении линейного двойного лучепреломления в среде, помещённой во внешнее магнитное поле, при распространении света перпендикулярно полю. В применении к кристаллическим системам. Его часто называют эффектом Фохта. Впервые был обнаружен в коллоидных растворах Дж. Керром (J. Кегг, 1901), далее подробно исследован Э. Коттоном (A. Cotton) и А. Мутоном (Н. Mouton, 1907), а в кристаллах - В. Фогтом (W. Voigt). Эффект Коттона – Мутона является следствием взаимодействия магнитного поля с токовыми (локализованными или делокализованными) системами (электроны в атоме, носители заряда в полупроводниках), определяющими исходные оптических свойства вещества, и поэтому обнаруживается во всех материальных средах. Подобно др. эффектам индуцированной линейной анизотропии (пьезооптическому, электронно-оптическому), Эффект Коттона – Мутона экспериментально регистрируется по возникновению эллиптичности прошедшего через среду линейно поляризованного светового пучка с плоскостью поляризации, составляющей обычно угол 45° с направлением приложенного поля (см. Керра эффект). Под действием магнитного поля первоначально изотропная среда превращается в оптически одноосную (гиротропность среды в такой геометрии магнитного поля можно не учитывать) с показателями преломления обыкновенного и необыкновенного лучей п0 и пе.В результате ортогональные компоненты вектора напряжённости электрического поля световой волны, проходящей через среду, испытывают разные фазовые сдвиги и, складываясь на выходе из среды, образуют эллиптически поляризованный свет, степень эллиптичности которого определяется указанной разностью фаз. Знак индуцированной разности фаз не зависит от направления приложенного магнитного поля и, следовательно, зависимость наведённого двупреломления должна определяться лишь чётными степенями напряжённости поля Н. В подавляющем большинстве случаев оказывается возможным ограничиться квадратичным по H членом:

Δ _λ=l(пе-п0)/ λ=СlH² (4.5.3)

Δ _λ - разность хода лучей, выраженная в длинах волн, l - длина пути света в веществе, Δ _λ - длина световой волны в вакууме). Константа С называется постоянной Коттона - Мутона и зависит от природы среды, длины волны излучения и температуры.

Рис 4.5.3. Проявление эффекта Коттона-Мутона

Эффект Коттона – Мутона тесно связан с другими магнитооптическими явлениями. В частности, вместе с эффектом магнитного линейного дихроизма - индуцированного магнитным полем различия коэффициентов поглощения для двух линейных поляризаций

Δk = ke-ko (4.5.4)

Эффект Коттона – Мутона можно рассматривать как единый эффект магнитно линейной анизотропии с учётом комплексности показателя преломления среды

Δn= (пе-пa)+i(ke-k0)= Δп+i Δk (4.5.5)

При этом функции Δп(ω) и Δk(ω), описывающие спектральный ход линейного двупреломления и дихроизма (ω - частота излучения), связаны между собой дисперсионными соотношениями, аналогичными Крамерса - Кронига соотношениям.Как известно, подобная же связь существует между магнитооптическими эффектами циркулярной анизотропии - эффектом Фарадея и магнитным круговым дихроизмом.

Эффект Коттона – Мутона по величине обычно мал и поэтому не находит широкого применения. Исключение составляют магнитоупорядоченные кристаллы, в которых эффект Коттона – Мутона функционально связан не с напряжённостью внешнего магнитного поля, а с намагниченностью подрешёток кристалла и может достигать чрезвычайно больших значений. Так, например, в ферромагнитном кристалле EuSe величина магнитно линейного двупреломления Δn достигает 1,5*10^-2.

Значительной величина эффекта Коттона – Мутона может быть также в конденсированных парамагнетиках вблизи линий поглощения при наличии разрешённой картины зеемановского расщепления.

Эффект Коттона – Мутона используют для измерений анизотропии диамагнитности восприимчивости молекул, изучения структуры примесных центров и магнитных свойств электронных оболочек.

Эффект Керра.

Магнитооптический эффект Керра - один из эффектов магнитооптики, влияние намагниченности среды на интенсивность и поляризацию света, отражённого от её поверхности. Достаточную для измерения величины магнитооптического эффекта Керра имеют вещества, обладающие большой намагниченностью и высоким коэффициентом поглощения, поэтому эффект наблюдается главным образом при отражении света от металлических ферромагнетиков.

В зависимости от ориентации вектора намагниченности относительно отражающей поверхности и плоскости падения светового пучка различают три вида магнитооптического эффекта Керра: полярный, меридиональный и экваториальный. При полярном эффекте вектор намагниченности j направлен перпендикулярно отражающей поверхности и параллельно плоскости падения (рис. 4.5.4, а), влияние намагниченности сводится к вращению плоскости поляризации и появлению эллиптичности отражённого от поверхности магнетика линейно поляризованного света. Аналогичные поляризационые проявления характерны для меридионального магнитооптического эффекта Керра соответствующего расположению вектора намагниченности параллельно отражающей поверхности магнетика и плоскости падения светового пучка (рис. 4.5.4, б). Если плоскость поляризации падающего линейно поляризованного света составляет некоторый угол с плоскостью падения (отличный от 0° и 90°), то оба эффекта проявляются также в линейных по намагниченности изменениях интенсивности отражённого света. Общим для полярного и меридионального эффектов является наличие не равной нулю проекции волнового вектора k световой волны на направление намагниченности среды j. Это обстоятельство определяет феноменологическое сходство полярного и меридионального эффекта Керра с эффектом Фарадея, наблюдающимся при прохождении света через намагниченную среду вдоль направления намагниченности, и позволяет отнести их к продольным магнитооптическим эффектам.

Рис. 4.5.4. Магнитооптический эффект Керра: а - полярный, б - меридиональный, в - экваториальный; j - вектор намагниченности, k - волновой вектор.

Экваториальный магнитооптический эффект Керра наблюдается при расположении вектора намагниченности перпендикулярно плоскости падения и параллельно плоскости отражения (рис. 4.5.4, в); проявляется в изменении интенсивности и фазового сдвига линейно поляризованного света, отражённого намагниченной средой. Отсутствие проекции волнового вектора на направление намагниченности среды объединяет экваториальный эффект Керра с другим поперечным магнитооптическим эффектом, наблюдающимся при прохождении света через намагниченную среду в направлении, перпендикулярном намагниченности - эффектом Коттона - Мутона. Однако, в отличие от квадратичного эффекта Коттона - Мутона, экваториальный эффект Керра является линейным по фазовым и амплитудным изменениям в отражённом свете в зависимости от намагниченности. Это позволяет использовать экваториально намагниченные зеркала в качестве невзаимных элементов оптич. устройств.

При изменении направления вектора намагниченности от поперечного (экваториального) к продольному (меридиональному) наблюдается также т. н. ориентационный магнитооптический эффект, квадратичный по намагниченности, регистрируемый по изменению интенсивности отражённого света.

Этот эффект применяется при исследовании свойств и структуры магнитных кристаллов в отражательной геометрии. Магнитооптический эффект Керра тесно связан с другими эффектами магнитооптики и в общем виде может быть интерпретирован как результат воздействия магнитного поля на диэлектрические и магнитные характеристики среды на оптических частотах. В простейшем случае изотропной среды (или кубического кристалла), помещённой в постоянном магнитном поле, эти свойства описываются антисимметричными тензорами диэлектрической ε_ik и магнитной μ_ik проницаемости:

 

(4.5.6)

 

-где комплексные магнитооптические параметры М и М’ пропорциональны намагниченности среды и ответственны за её гиротропные свойства. В зависимости от того, каким из магнитооптических параметров (М или М’) обусловлена гиротропия среды; среда называется соответственно гироэлектрической или гиромагнитной. При отличии от нуля обоих магнитооптических параметров среду называют бигиротропной. В продольных геометриях эффекта Керра параметры М и М’ входят в величину эффекта аддитивно, что не позволяет с их помощью отличить гироэлектрическую среду от гиромагнитной. Разделение вкладов параметров М и М’ в гиротропию среды возможно при использовании поперечного (экваториального) эффекта Керра.

Достаточно полно феноменологически магнитооптический эффект Керра можно описать на основе классических уравнений Максвелла с учётом комплексного показателя преломления среды, характеризуемой приведёнными выше тензорами. Идентификация микроскопических механизмов, объясняющих влияние намагниченности среды на её оптические свойства, требует привлечения строгого квантово-механического подхода, учитывающего воздействие поля на энергетическую структуру и волновые функции зонных и локализованных электронных состояний магнетика.

Магнитооптический эффект Керра широко применяется при исследованиях электронной структуры ферромагнитных металлов и сплавов, доменной структуры ферромагнетиков, а также при изучении структуры поверхностного слоя полированного металла. Зависимость величины эффекта Керра от оптических характеристик прилегающей к поверхности магнетика среды позволяет во многих случаях существенно повысить величину эффекта и контраст наблюдаемой картины нанесением на исследуемую поверхность тонкого слоя прозрачного диэлектрика.

Эффект Зеемана.

Зеемана эффект, расщепление уровней энергии и спектральных линий атома и других систем в магнитном поле. Под действием магнитного поля уровни энергии расщепляются на зеемановские подуровни; при переходах между подуровнями уровней ei и ek вместо одной спектральной линии появляется несколько поляризованных компонент. Для одиночных спектральных линий в направлении, перпендикулярном направлению напряженности магнитного поля Н, наблюдается зеемановский триплет - несмещенная относительно первичной линии p-компонента, поляризованная в направлении Н, и две симметричные относительно нее s-компоненты, поляризованные перпендикулярно Н (простой, или нормальный, Зеемана эффект, рис. 4.5.5).

Рис. 4.5.5 . а - без поля (n0 - частота, соответствующая исследуемой неполяризованной спектральной линии);

b - зеемановский триплет (направление наблюдения перпендикулярно полю);

c - s- компоненты (при наблюдении вдоль поля).

Стрелками показано направление поляризации n1 и n2 - частоты s-компонент.

 

 

Зеемана эффект применяется в спектроскопии и в устройствах квантовой электроники, в частности, для измерения напряженностей слабых магнитных полей в лабораторных условиях и в космосе.

Общая схема установки.

 

Поляризованный луч света, образуемый с помощью источника света (лазер) и поляризатора, проходит через магнитное поле в оптически активном веществе. После анализатора свет попадает в фотоприемник, где он преобразуется в электрический сигнал, измеряемый прибором.

 

Источники светового потока.

Источники светового потока - технические устройства различной конструкции и различными способами преобразования энергии, основным назначением которых является получение светового излучения (как видимого, так и с различной длиной волны, например, инфракрасного). В источниках света используется в основном электроэнергия, но также иногда применяется химическая энергия и другие способы генерации света (например, триболюминесценция, радиолюминесценция, биолюминесценция и др.).

Типы источников света

· Для получения света могут быть использованы различные формы энергии, и в этой связи можно указать на основные виды(по утилизации энергии) источников света.

· Электрические: Электрический нагрев тел каления или плазмы. Джоулево тепло, вихревые токи, потоки электронов или ионов.

· Ядерные: распад изотопов или деление ядер.

· Химические: горение (окисление) топлив и нагрев продуктов сгорания или тел каления.

Электролюминесцентные: непосредственное преобразование электрической энергии в световую (минуя преобразование энергии в тепловую) в полупроводниках (светодиоды, лазерные светодиоды) или люминофорах, преобразующих в свет энергию переменного электрического поля (с частотой обычно от нескольких сотен Герц до нескольких Килогерц), либо преобразующих в свет энергию потока электронов (катодно-люминесцентные)

Триболюминесцентные: преобразования механических воздействий в свет.

Биолюминесцентные: бактериальные источники света в живой природе.

 

Поляризаторы.

Поляризатор — вещество, позволяющее выделить из электромагнитной волны (естественный свет является частным случаем) часть, обладающую желаемой поляризацией при пропускании его сквозь или отражении от поверхности, получая проекцию волны на плоскость поляризации. Они используются в поляризацио́нных фильтрах. В радиотехнике и в быту под поляризатором понимается устройство для преобразования вертикальной или горизонтальной поляризации в круговую (эллиптическую) или наоборот. В антеннах в качестве поляризаторов используют волноводы с вкрученными винтами.

Поляризационный фильтр — устройство для получения полностью или частично поляризованного оптического излучения из излучения с произвольными поляризационными характеристиками.

Поляризаторы обычно изготавливают из кристаллов, обладающих особыми свойствами (двулучеприломлением), подробнее об этом будет рассказано далее.
Таковым является н.п. кристалл турмалина (или кварца): он пропускает световые волны с колебаниями электрического вектора Е (и соответственно, магнитного B), лежащими в какой-то одной определенной плоскости (рис. 4.6. 1).

Рис. 2.1 Действие поляризатора.

Убедиться в том, что свет, прошедший через кристалл оказался плоскополяризованным, можно с помощью другого кристалла турмалина, играющего роль анализатора - устройства, позволяющего обнаружить положение плоскости, в которой происходят колебания вектора E в линейно поляризованном свете (рис. 4.6.2.)

Рис. 4.6.2. Действие анализатора.

а) при параллельных осях кристаллов поляризатора и анализатора свет полностью проходит;
б) свет постепенно гасится, если угол между осями приближается к 90°;
в) свет полностью гасится в анализаторе.

Двупреломляющие поляризаторы
Поляризаторы обычно изготавливают из кристаллов, имеющих необычные оптические свойства, а именно - двойное лучепреломление (когда вошедший в такой кристалл луч света преломляется, то помимо преломленного обыкновенного луча, появляется еще и так называемый необыкновенный луч. Такое поведение луча света обусловлено именно особым строением некоторых кристаллов, н.п. исландского шпата или кварца). Разумеется, сами по себе кристаллы не используются в качестве поляризаторов. Из них изготавливают призмы и соединяя их в различные комбинации в зависимости от поставленной задачи, используют как поляризаторы - устройства, пропускающие свет в одном направлении, и не пропускающие в другом (в направлении, перпендикулярном направлению оптической оси кристалла).

Поляризатор характеризуется такими величинами:
1) поляризующая способность (степень поляризации, которую создавал бы поляризатор, если бы падающий луч был неполяризован).
2) два главных пропускания: k1 - когда отношение Iпрошедш / Iпад максимально, где I -интенсивность прошедшей и соответственно падающей волны, и k2 - когда оно минимально. Считается очень хорошими показатели k1=1 и k2= 0.

Приведем несколько примеров таких двупреломляющих поляризаторов. Конечно, существует много различных вариантов комбинаций призм, которые конструируются под конкретные задачи, но можно сказать, что описанных выше призм для ознакомления достаточно.

1) Призма Аренса.
Была придумана в 1886 г. и состоит из 3-х призм исландского шпата.
Р=0,99999, где Р - поляризующая способность. Особенность: имеет большой рабочий интервал углов, высокая линейная апертура (относительно длины). Используется в поляризационных микроскопах.

2) Призма Волластона.
Особенность: на выходе получаем два ортогонально поляризованных пучка.
А именно: падающий луч делится призмой на две поляризованные компоненты и обе пропускает в разные стороны. Применяется в астрономии.

3) Призма Глана-Фуко.
Особенность: состоит из двух призм, отделенных друг от друга воздушным зазором. Оптические оси перпендикулярны падающему пучку
света и верхней грани. Применяется для ультрафиолетового, инфракрасного и видимого диапазонов.

4) Призма Тейлора - модифицированная призма Глана-Фуко.
Оптические оси обеих призм параллельны верхней грани и той, которая является входной.

5) Призма Николя.
Это скорее классический пример, о котором стоит упомянуть, но рассматривать подробнее не будем, так как призма Николя уже не используется, в виду наличия более эффективных устройств.

4.6.3 Анализаторы.

Анализатор в оптике - поляризатор, предназначенный для определения состояния поляризации света(степени поляризации, степени эллиптичности и т. п.) или для регистрации ее изменений. В качестве анализаторов используются линейные, циркулярные (круговые) или эллиптические поляризаторы. Интенсивность света, прошедшего через анализатор, в общем случае не позволяет полностью идентифицировать состояние поляризации светового пучка. Поэтому для идентификации используются результаты нескольких измерений, проведенных с различными анализаторами (линейными и круговыми). Однако во многих случаях неизвестным или меняющимся во времени является лишь один из параметров состояния поляризации света, например, эллиптичность при известных азимутах полуосей эллипса поляризации или азимут плоскости поляризации линейно-поляризованного света. Анализатор, установленный в фиксированном положении, позволяет получить всю требуемую информацию о состоянии поляризации пучка.

В оптических схемах с фотоэлектрической или визуальной регистрацией анализатор обычно используется для преобразования временных или пространственных изменений состояния поляризации светового пучка в соответствующие изменения интенсивности.

4.6.4. Световоды.

Световод - (волновод оптический) - закрытое устройство для направленной передачи света. В открытом пространстве передача света возможна только в пределах прямой видимости и ограничивается начальной расходимостью излучения, поглощением и рассеянием в атмосфере. Переход к световодам позволяет значительно уменьшить потери световой энергии при её передаче на большие расстояния, а также передавать световую энергию по криволинейным трассам.

Разработаны разнообразные типы световодов, среди них - линзовые (зеркальные), представляющие собой систему заключённых в трубу и расположенных на определённых расстояниях линз (зеркал), полые металлические трубы и другие, однако они не нашли широкого применения.

Наиболее перспективный и широко применяемый тип световода гибкий диэлектрический волоконный световод (с низкими оптическими потерями), позволяющий передавать свет на большие расстояния. В простейшем варианте он представляет собой тонкую нить из оптически прозрачного материала, сердцевина которой радиуса a₁ имеет показатель преломления n₁, а оболочка с радиусом а ₂ имеет показатель преломления п ₂ <п ₁(рис. 2.3.).В приближении геометрической оптики лучи, входящие в сердцевину под достаточно малыми углами к оси световода, испытывают полное внутреннее отражение на поверхности раздела сердцевины и оболочки и распространяются только по сердцевине.

Рис. 4.6.3. Поперечное сечение волоконного световода.

4.6.5. Регистрирующее устройство.

Регистрирующее устройство (регистратор) — прибор для автоматической записи на носитель информации данных, поступающих с датчиков или других технических средств. В измерительной технике — совокупность элементов средства измерений, которые регистрируют значение измеряемой или связанной с ней величины. В регистрирующих устройствах обычно предусматривается возможность привязки записываемых значений параметров к шкале реального времени.

Виды регистрирующих устройств.

· Устройства с регистрацией информации в визуальной форме

· Цифропечатающие устройства

· Аналоговые регистрирующие устройства — информация записывается в виде графиков, диаграмм

· Устройства с регистрацией информации в электронном (безбумажном виде)

· Аналоговые регистрирующие устройства — информация записывается в аналоговом виде на электронном носителе, обычно магнитной ленте. В настоящее время применяются редко, постепенно заменяются на цифровые устройства

· Цифровые регистрирующие устройства — информация записывается в цифровом виде.

Примечание: ранее в качестве средств регистрации использовались также перфораторы — устройства для записи цифровой двоичной информации механическим способом — на перфокартах, перфолентах.

 

 

Введение

 

В современном мире измерения определяют прогресс в науке и технике и являются существенным фактором развития человеческой цивилизации. Фундамент измерений образуют чувствительные элементы, называемые датчиками. Также датчики являются устройствами, расширяющими возможности органов чувств человека.

Производство датчиков для разнообразных измерительных систем является одним из наиболее динамичных секторов мировой экономики. В 2005 году общий объем продаж датчиков в мире составлял порядка 13 миллионов долларов. Средний рост объема продаж составляет порядка 6% в год, однако производство датчиков для автомобилей и интеллектуальных датчиков растет со скоростью до 20% в год.

Разработчики стремятся улучшать параметры изготавливаемых устройств во всех аспектах: снижать габаритные размеры, увеличивать чувствительность, удешевлять продукцию. Основными направлениями в развитии и разработке являются улучшение выходных характеристик, повышение помехоустойчивости, снижение погрешности измерений, а также увеличение точности и разрешающей способности датчиков. В большинстве известных областей применения и производства датчиков получают развитие новейшие технологии с приставками микро и нано.

Область применения датчиков невозможно описать с преувеличением. Датчики присутствуют всюду в нашей повседневной жизни: начиная от простейших устройств (расходомеры воды и газа в помещениях, бытовые электросчетчики) и заканчивая самыми прогрессивными и важными (нанодатчики в медицине, автомобильной и электронной промышленности).

 

Основные физические явления, эффекты и принципы, применяемые при создании датчиков

2.1. Электрические заряды, поля и потенциалы

 

Электростатический эффект возникает в результате механического перерасп­ределения зарядов. Например, при натирании стеклянного стержня шелковой тканью происходит унос электронов с его поверхности, в результате чего в нем остается избыток положительных зарядов, что делает его положительно заряжен­ным Следует отметить, что электрические заряды не могут ни разрушаться, ни создаваться — они могут только перемещаться из одного места в другое. Электростатический эффект сказывается на совсем небольшом количестве электронов по сравнению с общим количеством заряженных частиц в объекте Реальное количество зарядов в каждом объекте очень велико.

По своему отношению к электрическим зарядам материалы можно разделить на три группы: проводники, диэлектрики и полупроводники. В проводниках элек­трические заряды (электроны) свободно перемещаются внутри материала, тогда как в диэлектриках они этого делать не могут. По своей способности проводить электричество полупро­водники находятся посередине между проводниками и диэлектриками. Самыми известными полупроводниками являются кремний и германий. При легирова­нии полупроводников небольшим количеством определенных элементов, их элек­трическая проводимость резко возрастает; для этой цели чаще всего применяют­ся мышьяк и бор.

На рис.2.1.1.А показан объект, обладающий положительным электрическим зарядом q. Если в окрестность этого объекта внести небольшой тестовый поло­жительный заряд, на него начнут действовать электрические силы отталкива­ния. Если объект будет заряжен отрицательно, он станет притягивать тестовый заряд. В векторной форме силу отталкивания или притяжения можно выразить в виде вектора. Факт того, что сила действует на тестовый заряд при отсутствии физического контакта между зарядами, означает наличие электрического поля в пространстве между ними.

Электрическое поле в каждой точке можно определить по величине силы, действующей на заряд:

(2.1.1)