6.3 Пьезоэлектрические сенсоры

Наиболее употребительным видом вольтаических сенсоров являются пьезоэлектрические сенсоры. Об их многочисленных применениях мы уже упоминали при изучении механических и акустических сенсоров. Напомним, что пьезоэффект состоит в том, что механическая деформация пластины из пьезоэлектрика вызывает его дополнительную поляризацию, вследствие чего возникает разность потенциалов между электродами, нанесенными на противоположные грани пластины.

Вопросы и упражнения для самопроверки 6

1. Что такое "вольтаические" сенсоры? По какому принципу их классифицируют?

2. Что такое "термопара"? Какое физическое явление лежит в основе её работы?

3. Что такое "пьезоэлемент"? Какое физическое явление лежит в основе его работы?

4. Что такое фотовольтаический эффект?

Упражнение 6.1.

Вариант 1. Какую температуру имеет горячий спай термопары хромель/алюмель , если её холодный спай находится при температуре 20°С, а регистрируемая термо-ЭДС составляет 48,00 мВ?

Вариант 2. Горячий спай термопары медь/константан находится при температуре 400°С, а её холодный спай – при температуре 10°С. Рассчитайте измеряемую термо-ЭДС.

Вариант 3. Какую температуру имеет холодный спай термопары железо/константан , если её горячий спай находится при температуре 782°С, а регистрируемая термо-ЭДС составляет 42,3 мВ?

Вариант 4. Рассчитайте коэффициент термо-ЭДС термопары платина/родий, если ее холодный спай находится при температуре 22°С, горячий спай – при температуре 1782°С, а регистрируемая термо-ЭДС составляет 20,6 мВ?

7 Анализаторы спектра электромагнитного излучения

7.1 Диапазоны электромагнитного излучения Таблица 2.1

Название диапазона		Длины волн, λ	Частоты, ν	Источники
Радиоволны	Сверхдлинные	более 10 км	менее 30 кГц	Атмосферные и магнитосферныеявления. Радиосвязь.
	Длинные	10 км — 1 км	30 кГц — 300 кГц
	Средние	1 км — 100 м	300 кГц — 3 МГц
	Короткие	100 м — 10 м	3 МГц — 30 МГц
	Ультракороткие	10 м — 1 мм	30 МГц — 300 ГГц^[4]
Инфракрасное излучение		1 мм — 780 нм	300 ГГц — 429 ТГц	Излучение молекул и атомов при тепловых и электрических воздействиях.
Видимое (оптическое) излучение		780—380 нм	429 ТГц — 750 ТГц
Ультрафиолетовое		380 — 10 нм	7,5×10^14Гц — 3×10^16Гц	Излучение атомов под воздействием ускоренных электронов.
Рентгеновские		10 нм — 5 пм	3×10^16— 6×10^19Гц	Атомные процессы при воздействии ускоренных заряженных частиц.
Гамма		менее 5 пм	более 6×10^19Гц	Ядерные и космические процессы, радиоактивный распад.

Арсенал спектральных методов анализа, номенклатура технических средств современной спектроскопии и полигон исследования чрезвычайно разнообразен. Ниже рассмотрим лишь перечень наиболее массовых методов и приборов спектрального анализа.

7.2 Термины и определения.

Спектроскопия — разделы физики и аналитической химии, посвящённые изучению спектров взаимодействия излучения (в том числе, электромагнитного излучения, акустических волн и др.) с веществом. В физике спектроскопические методы используются для изучения всевозможных свойств этих взаимодействий. В аналитической химии — для обнаружения и определения веществ при помощи измерения их характеристических спектров, то есть методами спектрометрии.

По объектам исследования можно выделить следующие виды спектроскопии: атомная , молекулярная , масс-спектроскопия, ядерная спектроскопия и другие.

По типу излучения, которое используется в спектроскопии, её можно разделить на оптическую , рентгеновскую , гамма спектроскопию, и т. д.

Оптическая спектроскопия — спектроскопия в оптическом (видимом) диапазоне длин волн, с примыкающими к нему ультрафиолетовым и инфракрасным диапазонами (от нескольких сотен нанометров до единиц микрон). Этим методом получено подавляющее большинство информации о том, как устроено вещество на атомном и молекулярном уровне. Как атомы и молекулы ведут себя при объединении в конденсированные вещества.

Частоты волн оптической области спектра уже сравнимы с собственными частотами атомов и молекул, а их длины — с молекулярными размерами и межмолекулярными расстояниями. Благодаря этому в этой области становятся существенными явления, обусловленные атомистическим строением вещества. По этой же причине, наряду с волновыми, проявляются и квантовые свойства света, в отличии от радиоволнового диапазона.

Особенность оптической спектроскопии по сравнению с другими видами спектроскопии состоит в том, что большинство структурно организованной материи (крупнее атомов) резонансно взаимодействует с электромагнитным полем именно в оптическом диапазоне частот. Поэтому именно оптическая спектроскопия используется в настоящее время очень широко для получения информации о веществе.

Рентгеновская спектроскопия -- раздел спектроскопии, изучающий спектры испускания (эмиссионные) и поглощения (абсорбционные) рентгеновского излучения, т.е. электромагн. излучения в области длин волн 10^-2-10² нм. Рентгеновскую спектроскопию используют для изучения природы хим. связей и количеств. анализа вещества (рентгеновский спектральный анализ).

Как и остальные спектроскопические методы, рентгеновская спектроскопия используется для изучения строения вещества по спектрам поглощения или испускания света при переходах электронов из одного энергетического состояния в другое. Спецификой метода является то, что рентгеновские спектры обусловлены переходами электронов внутренних оболочек атомов. Рентгеновские спектры поглощения связаны с переходами электронов из более низких в более высокие (так называемые возбужденные) энергетические состояния, а спектры испускания — из возбужденных состояний в более низкие.

. Различают тормозное и ха-рактеристич. рентгеновское излучение. Первое возникает при торможении заряженных частиц (электронов), бомбардирующих мишень в рентгеновских трубках, и имеет сплошной спектр. Характеристич. излучение испускают атомы мишени при столкновении с электронами (первичное излучение) или с рентгеновскими фотонами (вторичное, или флуоресцентное, излучение). В результате этих столкновений с одной из внутр. (К-, L- или М-) оболочек атома вылетает электрон и образуется вакансия, к-рую заполняет электрон с другой (внутр. или внеш.) оболочки. При этом атом испускает квант рентгеновского излучения.

По спектрам поглощения получают информацию о вакантных возбужденных состояниях химических соединений или зонах проводимости в полупроводниках. Применение методики EXAFS (протяженная тонкая структура рентгеновского спектра поглощения) позволяет определять такие параметры вещества, как межатомные расстояния, причем даже для аморфных тел, к которым неприменима методика рентгеновской дифракции.

Гамма спектроскопия-- раздел ядерной физики, посвященный изучению дискретного спектра ядерных состояний — определение энергии, спина, чётности, изотонического спина и др. квантовых характеристик ядра в основном в возбуждённых состояниях. Значение этих данных необходимо для выяснения структуры ядер и получения сведений о силах, действующих между нуклонами Установление перечисленных характеристик производится путём измерения энергий, интенсивностей, угловых распределений и поляризаций излучений, испускаемых ядром либо в процессе радиоактивного распада, либо в ядерных реакциях. Получение спектроскопических данных по исследованию радиоактивного распада часто называется спектроскопией радиоактивных излучений, причём различают a-, b- и g-спектроскопии в соответствии с типом излучений. В ядерно-спектроскопических исследованиях, основанных на использовании ядерных реакций, отчётливо выделены 3 направления: применение так называемых прямых ядерных реакций, кулоновского возбуждения ядра и резонансных реакций. В последнем направлении особое место занимает так называемая нейтронная спектроскопия (изучение энергетических зависимостей вероятностей ядерных реакций, вызываемых нейтронами).

Арсенал технических средств современной ядерной спектроскопии чрезвычайно разнообразен. Он включает в себя магнитные спектрометры для измерения энергий заряженных частиц, кристалл-дифракционные спектрометры для измерения энергий g-излучения, различные детекторы ядерных излучений, позволяющие регистрировать и измерять энергию частиц и g-квантов по эффектам взаимодействия быстрых частиц с атомами вещества (возбуждение и ионизация атомов). Среди спектрометрических приборов этого типа большое значение приобрели твердотельные детекторы (. Сцинтилляционный счётчик, Полупроводниковый детектор)

Масс- спектроскопия— метод исследования вещества путём определения отношения массы к заряду (качества) и количества заряженных частиц, образующихся при том или ином процессе воздействия на вещество. Существенное отличие масс-спектрометрии от других аналитических физико-химических методов состоит в том, что оптические, рентгеновские и некоторые другие методы детектируют излучение или поглощение энергии молекулами или атомами, а масс-спектрометрия непосредственно детектирует сами частицы вещества. Метод исследования и анализ вещества, основан на ионизации атомов и молекул, входящих в состав пробы, и регистрации спектра масс образовавшихся ионов.

Интерферометрия– метод визуализации процессов и явлений, а также измерения физических и других величин, основанный на явлении интерференции волн и измерении разности фаз (разности оптических путей) между интерферирующими волнами (между так называемой «объ­ект­ной» волной, прошедшей через объект, и опорной волной, прошедшей мимо объекта через область с известными параметрами). Интерферометрия позволяет измерять с высокой точностью очень маленькие и очень большие расстояния и толщины, показатель преломления в объекте, а также др. связанные с ним физические и химические величины.

Фурье-спектрометрия--- метод, в котором получение спектров происходит в 2 приёма: сначала регистрируется т. н. интерферограмма исследуемого излучения, а затем путём её Фурье преобразования вычисляется спектр. Прибором для фурье-спектрометрии служит фурье-спектрометр (рис.), основная часть которого - интерферометр Майкельсона.

Спектрометр— спектральный оптический прибор, используемый в спектроскопических исследованиях для накопления спектра, его количественной обработки и последующего анализа с помощью различных аналитических методов. Анализируемый спектр получается путем регистрации воздействия на исследуемое вещество каким-либо излучением (оптическим, рентгеновским или лазерным излучением, искровым воздействием и др.). Обычно измеряемыми величинами являются интенсивность и энергия (длина волны, частота) излучения, но могут регистрироваться и другие характеристики, например, поляризационное состояние. Термин «спектрометр» применяется к приборам, работающим в широком диапазоне длин волн: от гамма до инфракрасного диапазона.

Спектрограф — спектральный оптический прибор, в котором приёмник излучения регистрирует практически одновременно весь спектр, развёрнутый в фокальной плоскости оптической системы. В отличие от монохроматоров, в фокальной плоскости фокусирующего объектива вместо выходной щели устанавливаются фотографические материалы или многоэлементный приемник (фотодиодная линейка, ПЗС линейка, ПЗС матрица и др.), позволяющий регистрировать оптическое излучение в пределах определенного поля. Спектрографы используются преимущественно в ультрафиолетовой (УФ), видимой и ближней инфракрасной (ИК) областях спектра, что обусловлено имеющимися в настоящее время многоэлементными приемниками излучения (190 – 2600 нм).

Спектрофотометр— спектральный оптический прибор для исследования спектрального состава по длинам волн электромагнитных излучений в оптическом диапазоне, последовательного нахождения спектральных характеристик излучателей и объектов, взаимодействовавших с излучением, а также для спектрального анализа и фотометрирования.

Спектроскоп — спектральный оптический прибор для визуального наблюдения спектра излучения. Спектроскопы применяются в астрономии для изучения света звезд и в химии для обнаружения следов различных химических элементов в образцах, которые слишком малы, чтобы присутствие элементов можно было установить другими методами.

Монохроматор — спектральный оптико-механический прибор, предназначенный для выделения монохроматического излучения. Принцип работы основан на дисперсии света.

Монохроматор состоит из следующих основных частей и узлов: входная спектральная щель, коллиматорный объектив, диспергирующий элемент (призма или дифракционная решётка), фокусирующий объектив и выходная спектральная щель, которая выделяет излучение, принадлежащее узкому интервалу длин волн. Возможность сканирования спектра (выбора нужного спектрального диапазона) обеспечивается путем поворота диспергирующего элемента.

Фотометрия — общая для всех разделовприкладной оптикинаучная дисциплина, на основании которой производятся количественные измерения энергетических характеристик поля излучения.

Фото́метр — прибор для измерения каких-либо из фотометрических величин. При использовании фотометра осуществляют определённое пространственное ограничение потока излучения и регистрацию его приёмником излучения с заданной спектральной чувствительностью. Освещённость измеряют люксметрами, яркость — яркомерами, световой поток и световую энергию — с помощью фотометра интегрирующего. Приборы для измерения цвета объекта называют колориметрами.

Если в качестве приёмника используется глаз, фотометры называются визуальными, или зрительными, если же применяется какой-либо физический приёмник, фотометры называются физическими. Оптический блок фотометра, иногда называемый фотометрической головкой, содержит линзы, светорассеивающие пластинки, ослабители света, светофильтры, диафрагмы и приёмник излучения.

Фотометры находят широкое применение в лабораторной практике. Например, с помощью фотометров можно определять спектр образцов, что позволяет установить их химический состав. Особый класс этих приборов – пламенные фотометры – предназначен для выявления в образцах наличия щелочных металлов (литий, натрий, калий). Для этого образец сжигается при высокой температуре, а анализ спектра пламени с помощью фотометра позволяет выявить наличие щелочных металлов в образце. Решить эту задачу другими способами гораздо труднее. В современных фотометрах световое излучение обычно преобразуется в электрический сигнал и затем преобразуются в компьютерный формат.

Пирометр — прибор для бесконтактного измерения температуры тел. Принцип действия основан на измерении мощности теплового излучения объекта измерения преимущественно в диапазонах инфракрасного излучения и видимого света