Физические методы исследований с использованием современного оборудования (стр. 6 )

Исходя из физического принципа действия все пьезоэлекрические преобразователи делятся на три группы:

1. Преобразователи, использующие прямой пьезоэффект и применяемые в приборах для измерения параметров механических процессов: силы, акустического и быстропеременного давления, линейных и угловых ускорений, а также вибрации, ударов.

2. Преобразователи, использующие обратный пьезоэффект и применяемые в качестве излучателей ультразвука в гидроакустике и дефектоскопии, преобразователей напряжения в перемещение (пьезодвигатели и пьезореле), для юстировки зеркал оптических приборов и исполнительных элементов систем автоматики.

3. Преобразователи параметрического типа, использующие одновременно прямой и обратный пьезоэффекты, – пьезоэлектрические ре-
зонаторы, наиболее эффективно излучающие и принимающие энергию на фиксированной резонансной частоте. Пьезорезонаторы применяются в полосовых фильтрах, линиях задержки, преобразователях перемещения или присоединенной массы в частоту для датчиков уровня, плотности и др.

Достоинствами пьезоэлектрических преобразователей являются высокая линейность характеристик, широкие динамические и частотные диапазоны, простота конструкции и высокая надежность при эксплуатации.

Фотоэлектрические преобразователи (ФЭП) – устройства, преобразующие оптическое изображение в электрический сигнал.

Классификация фотоэлектрических преобразователей приведена на рисунке 11.7.

Рисунок 11.7 – Классификация ФЭП

В ФЭП с внешним фотоэффектом получение электронного изображения получается за счет различной яркости света, отражаемого от поверхности изображения, что используется в факсах, сканерах, ксероксах.

В ФЭП с внутренним фотоэффектом происходит изменение электрической проводимости некоторых материалов под действием светового потока.

В ФЭП мгновенного действия при преобразовании оптического изображения в электрический сигнал используется световая энергия, воздействующая на элемент изображения только в течение интервала времени считывания информации с элемента изображения (факсы, сканеры).

В ФЭП с накоплением заряда при преобразовании оптического изображения в электрический сигнал световая энергия, облучающая элементы изображения в течение кадра, накапливается на элементах в виде электрических зарядов и считывается с них во время воздействия на элемент изображения электронного развертывающего луча (большинство передающих телевизионных трубок – трубки с накоплением заряда).

Ионизационными называются преобразователи, преобразующие интенсивность радиоактивного излучения в электрическую величину.

Наибольшее применение нашли ионизационные камеры, газоразрядные счетчики, сцинтилляционные и полупроводниковые детекторы. Измерительные приборы с ионизационными преобразователями могут использовать в своей работе либо меченые атомы, либо источники ядерного излучения. Приборы с мечеными атомами служат для изучения поведения веществ и тел в различных физических, химических и физиологических процессах. Их применение основано на том, что радиоактивные изотопы элементов идентичны стабильным изотопам. Радиоактивные изотопы добавляются к стабильным и участвуют в процессе наряду со стабильными. Местонахождение и количество радиоактивных изотопов определяются с помощью ионизационных преобразователей.

Приборы с источниками излучения служат для измерения неэлектрических величин, таких как толщина материала, уровень жидкости, расход жидкости и пр. В этих приборах используется зависимость интенсивности излучения от измеряемой величины.

Благодаря большой проникающей способности излучения приборы могут применяться в тех случаях, когда объект измерения находится в тяжелых эксплуатационных условиях (высокие температуры и давление, агрессивная среда и т. п.). Отрицательной особенностью приборов является токсичность излучения. Однако разработка и использование высокочувствительных детекторов (сцинтилляционных и полупроводниковых) и снижение интенсивности рабочего излучения делают ионизационные приборы практически безопасными.

1.6. Измерение магнитных свойств материалов

Материалы характеризуются различными магнитными свойствами.

Магнитная проницаемость – физическая величина, характеризующая связь между магнитной индукцией и магнитным полем в веществе.

Различные материалы по-разному ведут себя в магнитном поле,
а значит, имеют различную магнитную проницаемость:

● Диамагнетики – вещества, имеющие магнитную проницаемость меньше 1. Подавляющее большинство веществ являются диамагнетиками.

● Парамагнетики – вещества, имеющие магнитную проницаемость больше 1.

● Ферромагнетики – вещества, имеющие магнитную проницаемость много больше чем 1, которая создается спонтанной намагниченностью доменов, хаотически ориентированных в пространстве.

● Ферримагнетики – вещества, имеющие магнитную проницаемость много больше чем 1, которая создается спонтанной намагниченностью кристаллических решеток, попарно антипараллельно ориентированных в пространстве. При этом суммарный магнитный момент не равен нулю.

● Антиферромагнетики – вещества, имеющие магнитную проницаемость немного больше чем 1, которая создается спонтанной намагниченностью кристаллических решеток, попарно антипараллельно ориентированных в пространстве и скомпенсировавших друг друга.

Коэрцитивная сила (Нс) – напряженность магнитного поля, необходимая для полного размагничивания предварительно намагниченного до насыщения ферромагнетика.

При наличии корреляционных зависимостей между коэрцитивной силой и пластической деформацией по величине коэрцитивной силы можно вести контроль накопления повреждений в материале. Все эти зависимости выводятся экспериментальным путем.

Остаточная намагниченность – намагниченность, которую имеет ферромагнитный материал при напряженности внешнего магнитного поля, равной нулю. Значение остаточной намагниченности – один из важнейших параметров, характеризующих постоянные магниты.

Магнитные потери – потери на перемагничивание ферромагнетиков. Они складываются из потерь на гистерезис, вихревые токи и магнитное последействие.

Потери на гистерезис обусловлены необратимыми процессами перемагничивания. Потери на гистерезис за один цикл перемагничивания (т. е. за один период изменения поля), отнесенные к единице объема вещества, определяются площадью статической петли гистерезиса.

Потери на вихревые токи. В проводящей среде за счет ЭДС самоиндукции, пропорциональной скорости изменения магнитного потока, возникают вихревые токи. Вихревые токи нагревают проводники, в которых они возникли. Это приводит к потерям энергии в магнитопроводах.

Потери на магнитное последействие обусловлены магнитной вязкостью – отставанием магнитной индукции от изменения напряженности магнитного поля. Одна из основных причин магнитного последействия – тепловая энергия, которая помогает слабо закрепленным доменным границам преодолевать энергетические барьеры, мешающие их свободному смещению при изменении поля.

Магнитометрия – совокупность методов измерения магнитных параметров вещества: векторов напряженности магнитного поля и магнитной индукции, а также характеристик магнитной структуры вещества (электронных оболочек атомов, магнитной доменной структуры и др.).

Объектом магнитометрии является вся совокупность материальных дискретных образований, обладающих массой покоя, – от электронов, атомов, молекул до конденсированных тел.

Инструментарий магнитометрии – магнитоизмерительные приборы, в совокупности которых главную роль играют магнитомеры.

Магнитомер – прибор для измерения модуля полного вектора магнитной индукции или его составляющих. По признаку физического явления, на котором основан принцип действия прибора, магнитометры подразделяются на индукционные, квантовые, магнитооптические и гальваномагнитные.

Индукционные магнитометры. Принцип действия индукционного магнитометра основан на явлении электромагнитной индукции. По способу создания регистрируемого магнитного сигнала различают активные и пассивные индукционные магнитометры.

В приборах активного типа магнитный поток в катушке создают, подвергая ее внешним воздействиям. Большую группу активных магнитометров составляют ферромодуляционные приборы, катушка которых неподвижна, а магнитную проницаемость ее сердечника изменяют с помощью вспомогательного магнитного поля. Оно может быть постоянным или медленно изменяться с частотой в несколько герц. Вспомогательные поля высокой частоты применяют в приборах, названных феррозондами. Феррозонд – прибор для измерения напряженности магнитных полей и их градиентов. Феррозондам свойственна высокая чувствительность к магнитному полю (до 10–4–10–5 А/м).

Магнитометры пассивного типа предназначены для измерения магнитной индукции переменных и импульсных полей. С помощью ферромодуляционных и пассивных магнитометров проводят наземные и подводные измерения слабых полей, осуществляют неразрушающий контроль материалов. Магнитные параметры материалов измеряют магнитометрами с вращающейся и вибрирующей катушкой.

Квантовые магнитометры. Квантовый магнитометр (тесламетр) – прибор для измерения слабых магнитных полей, основанный на определении частоты квантового перехода парамагнитных частиц с одного зеемановского подуровня на другой, т. е. явлениях ЯМР, ЭПР и эффектах Ханле и Джозефсона.

Протонные ЯМР-магнитометры, реализующие свободную прецессию ядер, предназначены для измерения слабых полей. Магнитометры с вынужденной прецессией ядер используют для измерения более сильных (0,01–2,5 Тл) полей.

ЭПР-магнитометры. При резонансном поглощении энергии электромагнитного излучения образцом, находящимся в постоянном магнитном поле, имеет место сверхтонкое взаимодействие ядер образца и его неспаренных электронов. Такому взаимодействию соответствует расщепление линий на спектре ЭПР. Энергия неспаренных электронов, совершающих переходы между энергетическими уровнями, характеризует напряженность локального магнитного поля ядер, т. е. намагниченность образца.

Магнитометры Ханле основаны на эффекте Ханле, состоящем в зависимости интенсивности от направления и в уменьшении степени поляризации света резонансной частоты рассеянного атомами магнетика, помещенного в слабое магнитное поле.