Вопросы по курсу «Методы и средства измерений, испытаний и контроля» (стр. 1 )

Вопросы по курсу «Методы и средства измерений, испытаний и контроля».

1.  Методы и средства измерения электрических свойств материалов. Электромеханические и магнитоэлектрические измерительные приборы. Амперметры. Вольтметры. Логометры. Омметры. Гальванометры. Осциллографы. Измерительные мосты и компенсаторы. Методы измерения электризуемости, электропроводности, электрического сопротивления, электрической емкости, диэлектрических свойств материалов.

Все приборы делятся на - аналоговые - показывают значение измеряемой величины стрелкой, движущейся по шкале с делениями; и цифровые - имеют цифровой дисплей, показывающий измеренное значение величины в виде числа. Методы и средства электрических измерений в цепях постоянного и переменного тока существенно различаются. В цепях переменного тока они зависят от частоты и характера изменения величин, и от того, какие характеристики переменных электрических величин измеряются. К основным характеристикам электромеханических приборов относятся: точность, диапазон измерений, чувствительность, время успокоения, надежность, собственное потребление мощности и др. Показателями точности электромеханических приборов являются погрешность, вариация показаний и невозвращение указателя к отметке механического нуля. Основной функциональной частью магнитоэлектрического прибора является измерительный механизм. Принцип действия магнитоэлектрических механизмов основан на взаимодействии магнитных полей постоянного магнита и катушки (рамки), по которой протекает ток. Конструктивно магнитоэлектрический механизм выполняется с подвижной катушкой или с подвижным магнитом. Амперме́тр – прибор для измерения силы тока в амперах. В электрическую цепь амперметр включается последовательно с тем участком электрической цепи, силу тока в котором измеряют. Амперметры бывают магнитоэлектрическими, электромагнитными, электродинамическими, тепловыми, индукционными, детекторными, термоэлектрическими и фотоэлектрическими. Вольтметр – измерительный прибор непосредственного отсчёта для определения напряжения или ЭДС в электрических цепях. Подключается параллельно нагрузке или источнику электрической энергии. По принципу действия вольтметры разделяются на: электромеханические и электронные. По назначению: постоянного тока; переменного тока; импульсные; фазочувствительные; селективные; универсальные. По конструкции и способу применения: щитовые; переносные; стационарные. Логометр – магнитоэлектрический электроизмерительный прибор для измерения отношения сил двух электрических токов. Логометр обычно применяется в приборах для измерения сопротивления, индуктивности, ёмкости, температуры. Омме́тр – измерительный прибор непосредственного отсчёта для определения электрических активных (омических) сопротивлений. Разновидности омметров: мегаомметры, гигаомметры, тераомметры, миллиомметры, микроомметры, различающиеся диапазонами измеряемых сопротивлений. По исполнению омметры делятся на щитовые, лабораторные и переносные. По принципу действия омметры бывают магнитоэлектрические – с магнитоэлектрическим измерителем или магнитоэлектрическим логометром (мегаомметры) и электронные – аналоговые или цифровые. Действие магнитоэлектрического омметра – измерение силы тока с помощью магнитоэлектрического микроамперметра. Принцип действия электронных омметров основан на преобразовании измеряемого сопротивления в пропорциональное ему напряжение с помощью операционного усилителя. Измеряемый объект включается в цепь обратной связи (линейная шкала) или на вход усилителя. Цифровой омметр – измерительный мост с автоматическим уравновешиванием. Гальвано́метр – высокочувствительный прибор для измерения силы малых постоянных электрических токов. Шкала гальванометра может быть проградуирована в единицах силы тока, напряжения и других физических величин. Она может иметь условную, безразмерную градуировку. Гальванометр используют в качестве аналогового измерительного прибора. Используется для измерения силы постоянного тока, протекающего в цепи. Осцилло́граф – прибор, предназначенный для исследования амплитудных и временны́х параметров электрического сигнала, подаваемого на его вход, либо непосредственно на экране, либо записываемого на фотоленте. По логике работы и назначению осциллографы можно разделить на три группы: аналоговый, запоминающий осциллограф, аналоговый, цифровой, стробирующий осциллограф. Измерительный мост – это обычно четырехплечая электрическая цепь, составленная из резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности, предназначенная для определения отношения параметров этих компонентов. К одной паре противоположных полюсов цепи подключается источник питания, а к другой – нуль-детектор. Измерительные мосты применяются только в тех случаях, когда требуется повышенная точность измерения. Мосты делятся на две группы: одинарные и двойные. Одинарный мост, называемый мостом Уитстона, применяют для измерения сопротивлений от 1 Ом до 100 Мом. Двойной мост, называемый мостом Томпсона, используют для измерения малых величин сопротивлений – менее 1 Ом. На практике измерение электропроводности используют для контроля технологических и для целей химического анализа в сочетании с методами объемного анализа. Электри́ческая ёмкость – характеристика проводника, мера его способности накапливать электрический заряд. Она определяется как отношение величины электрического заряда к разности потенциалов между этими проводниками. Диэле́ктрик (изолятор) – вещество, среда, материал, практически не проводящие электрический ток. Основное свойство диэлектрика состоит в способности поляризоваться во внешнем электрическом поле. К диэлектрикам относятся воздух и другие газы, стёкла, различные смолы, пластмассы.

2.  Методы и средства измерения показателей оптических свойств материалов. Оптические измерительные преобразователи. Фотоэлементы. Фотодиоды. Фототранзисторы. Вентильные фотоэлементы. Фотоэлектрические тахометры. Нефелометры. Компараторы цвета.

Измерительными преобразователями (ИП) называются устройства, предназначенные для преобразования разного рода не электрических величин в электрические сигналы. По принципу действия ИП делятся на генераторные и параметрические. Оптические преобразователи построены на использовании явления фотоэффекта. По физической сущности различают два типа фотоэффекта – внутренний и внешний. Внутренний фотоэффект – явление, происходящее внутри кристаллической решетки твердого тела при воздействии светового потока. При этом происходит изменение энергетического состояния носителей зарядов, приводящее к их концентрации и перераспределению внутри кристалла. Этот тип фотоэффекта характерен только для полупроводников и диэлектриков. Внешний фотоэффект состоит в эмиссии электронов под действием светового потока. Преобразователь реализует следующее уравнение . Фотодио́д — приёмник оптического излучения, который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд за счёт процессов в p-n-переходе. Фотодиод, работа которого основана на фотовольтаическом эффекте (разделение электронов и дырок в p - и n-области, за счёт чего образуется заряд и ЭДС), называется солнечным элементом. Кроме p-n фотодиодов, существуют и p-i-n фотодиоды, в которых между слоями p и n находится слой нелегированного полупроводника i. p-n - и p-i-n-фотодиоды только преобразуют свет в электрический ток, но не усиливают его, в отличие от лавинных фотодиодов и фототранзисторов. При воздействии квантов излучения в базе происходит генерация свободных носителей, которые устремляются к границе p-n-перехода. Ширина базы (n-область) делается такой, чтобы дырки не успевали рекомбинировать до перехода в p-область. Ток фотодиода определяется током неосновных носителей — дрейфовым током. Быстродействие фотодиода определяется скоростью разделения носителей полем p-n-перехода и ёмкостью p-n-перехода Cp-n. Фотодиод работает в фотогальваническом (без внешнего напряжения) и фотодиодный (с внешним обратным напряжением) режимах. Фототранзи́стор — оптоэлектронный полупроводниковый прибор, вариант биполярного транзистора. Отличается от классического варианта тем, что область базы доступна для светового облучения, за счёт чего появляется возможность управлять усилением электрического тока с помощью оптического излучения. Фототранзистор имеет структуру n-p-n или p-n-p транзистора и может усиливать ток. Дырки электронно-дырочных пар, рождённых излучением, находятся в базе, а электроны переходят в эмиттер или коллектор. При увеличении положительного потенциала базы происходит усиление фототока за счёт инжекции электронов из эмиттера в базу. Биполярный фототранзистор — полупроводниковый прибор с двумя p-n переходами — предназначен для преобразования светового потока в электрический ток. При освещении фототранзистора в его базе генерируются электронно-дырочные пары. Неосновные носители зарядов переходят в область коллектора и частично в область эмиттера. При этом потенциалы эмиттера и коллектора относительно базы изменяются. Эмиттерный переход смещается в прямом направлении, и даже небольшое изменение его потенциала вызывает большое изменение тока коллектора, то есть фототранзистор является усилителем. Ток коллектора освещенного фототранзистора оказывается достаточно большим — отношение светового потока к темновому велико (несколько сотен). Фототранзистор можно включать по схемам со свободным коллектором, со свободной базой и со свободным эмиттером. На фототранзистор можно подавать оптические и электрические сигналы. Применяют два варианта включения фототранзисторов: диодное — с использованием только двух выводов (эмиттера и коллектора) и транзисторное — с использованием трех выводов, когда на вход подают не только световой, но и электрический сигналы. Фотоэлементом называется прибор, в котором воздействие лучи­стой энергии оптического диапазона вызывает изменение его элек­трических свойств. Фотоэлементы бывают с внешним и внутренним фото­эффектом, а также с запирающим слоем. В фотоэлементе с внешним фотоэффектом действие света вызы­вает выход из поверхностного слоя фотокатода электронов во внеш­нее пространство — в вакуум или сильно разреженный газ. Фотоэлектрические тахометры. Принцип действия состоит в измерении частоты переменного тока фотоэлемента, освещенного световым потоком, модулированным вращающимся объектом измерения. Фотоэлектрические приборы, измеряющие мутность растворов, называются нефелометрами. Действие нефелометра основано на сопоставлении интенсивности двух световых потоков: одного от рассеивающей взвеси, другого от эталона. Нефелометры делятся на визуальные и фотоэлектрические. Применяются при исследовании дисперсных систем. Компаратор — это техническое средство, естественные или специально создаваемые среды, позволяющие сличать друг с другом меры однородных величин или показания измерительных приборов, а также сравнивать участки (точки) шкал измерений. Они входят в состав практически всех измерительных приборов, схемы которых, как правило, содержат: измерительный преобразователь, компарирующую ячейку, меру (меры), отсчётное (решающее вычислительное и отображающее измерительную информацию) устройство, например цифровой вольтметр с встроенным опорным стабилитроном. Относимые к средствам измерений поверяемые делители напряжений, трансформаторы тока, клещи электроизмерительные также можно отнести к компараторам, которые имеют встроенные меры безразмерного коэффициента деления (умножения).