5.3. Акселерометры с нагревом газа

Акселерометры предназначены для измерения изменяющейся скорости (ускорения) и обычно строятся по схеме сейсмографа, т.е. содержат инертную массу, закрепленную в корпусе на упругом подвесе. При изменении скорости корпуса происходит деформация подвеса (поскольку инертная масса запаздывает с изменением скорости по сравнению с корпусом) и эта деформация несет информацию об изменении скорости объекта. В акселерометре с нагревом газа в качестве инертной массы используется неравномерно нагретый газ, заключенный в герметичный корпус. Принцип работы такого акселерометра поясняет рис. 15.

Газ

Рис. 15. Структура акселерометра с нагревом газа:

1 – нагреватель; 2 – измеритель температуры;

3 – диафрагма-подложка.

На дне герметичной полости, заполненной газом, расположена тонкая подложка, в центре которой размещен нагреватель. Если корпус прибора неподвижен, над нагревателем формируется симметричный факел нагреваемого газа. Неравномерность нагрева приводит к тому, что и плотность газа также распределена по объему неравномерно, но симметрично.

Если теперь корпус прибора изменяет скорость в горизонтальной плоскости и получает ускорение а, то произойдет перераспределение газа по объему, а именно, более холодный (и плотный) будет прижиматься к стенке противоположной направлению вектора ускорения. Таким образом, размещая на подложке в горизонтальной плоскости, по оси Х и Y попарно и симметрично относительно нагревателя измерители температуры, можно по «перекосу» температуры судить об изменении скорости прибора в соответствующих направлениях.

Существенным преимуществом таких акселерометров, по сравнению с традиционными, является их высокая стойкость к большим (в десятки тысяч g) перегрузкам. Недостатки связаны в первую очередь с инерционностью тепловых процессов, а также с непредсказуемой реакцией прибора на хаотическое изменение его положения в пространстве.

На основе измерения температуры могут строиться также датчики излучений, влажности и другие приборы.

Контрольные вопросы.

1. Представьте и проанализируйте цепочку преобразований, реализуемых в каталических сенсорах концентрации газов.

2. Проанализируйте особенности конструкций и технологии изготовления микроэлектронных сенсоров концентрации газов.

3. Поясните принцип действия и особенности реализации тепловых расходомеров.

4. Поясните физические основы и возможности реализации акселерометров, использующих нагрев газа.

6. Бесконтактное измерение температуры

1. Тепловое излучение

Измерение температуры нагретого тела на расстоянии основано на приеме лучистой энергии, излучаемой его поверхностью. Известно, что любое тело, температура которого отличается от абсолютного нуля, является источником электромагнитного излучения. Это связано с тепловым движением зарядов в веществе. Все тела обладают также способностью поглощать лучистую энергию. Излучение нагретых тел охватывает длины волн порядка 0,3 – 100 мкм. Поскольку глаз человека чувствителен, в основном, к лучам в интервале длин волн 0,4 – 0,7 мкм, то большая часть теплового излучения лежит за пределами видимой части спектра и относится к так называемому инфракрасному излучению.

Элемент поверхности абсолютно черного тела испускает лучи во всех направлениях. Количество тепла, излучаемого единицей поверхности в единицу времени называется излучательной или лучеиспускательной способностью Е. Иногда ее называют также плотностью полусферического излучения.

Тепловое излучение тела всегда содержит лучи с разной длиной волны. Для того, чтобы иметь возможность изучать распределение энергии излучения по длинам волн, вводят понятие спектральной интенсивности излучения, которая определяется как излучательная способность тела для интервала длин волн dλ:

E_λ = dE / dλ .

Исследуя распределение теплового излучения по длинам волн, Макс Планк пришел к своей знаменитой квантовой теории (1900г.).

Закон Планка для спектральной интенсивности теплового излучения абсолютно черного тела имеет вид:

,

где индекс «0» присвоен абсолютно черному телу;

С₁ = 2πhc² = 0,374 · 10 ^-15 Вт · м² – первая постоянная Планка;

С₂ = 2hС/k = 1,4388 · 10⁴ мкм · К – вторая постоянная Планка;

h = 6,625 · 10^-34 Дж · с – универсальная постоянная Планка;

с = 2,9979 · 10⁸ м/с – скорость света в вакууме;

k = 1,380 · 10 ^-23 Дж/К – постоянная Больцмана; λ – длина волны;

Т – абсолютная температура.

Этот закон хорошо подтверждается экспериментально и дает наиболее общую характеристику излучения.

Графически зависимость dE_{λ 0} / dλ представлена на рис. 16.

Рис. 16. Зависимость интенсивности теплового излучения от длины волны и температуры

Как видно, абсолютно черное тело излучает при любой температуре в широком диапазоне волн. С возрастанием температуры максимум излучения смещается в сторону более коротких волн. Это явление описывается законом Вина:

λ_макс = 2898/Т [мкм, К],

который легко получить на основании анализа максимума распределения E_λ0. Видимая часть спектра на рис. 16 расположена слева, т.е. тепловое излучение, максимум которого находится в области более длинных волн, обычно невидимо. Только при температурах тела 700 – 800 °С человеческий глаз начинает воспринимать темно-красное свечение, когда несколько увеличивается доля энергии в видимой части спектра. Даже при Т = 3000 К, соответствующей температуре вольфрамовой нити горящей электрической лампочки, видимая часть излучения составляет малую долю полной лучистой энергии. Только при температуре порядка 5500 К, соответствующей температуре поверхности Солнца, максимум излучения лежит в видимой части спектра.

Закон Планка позволяет определить интенсивность излучения, отнесенную ко всему спектру, т.е. излучательную способность абсолютно черного тела. Для этого E_λ0 надо проинтегрировать по всем длинам волн:

∞

Е₀ = ∫ E_λ0 dλ = σT⁴,

⁰

где σ = 5,6687 · 10^-8 Вт/м² · К⁴ – постоянная Стефана-Больцмана.

Таким образом,

Е₀ = σT⁴ ,

т.е. излучательная способность абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры (закон Стефана-Больцмана). Этот закон опытным путем установлен Стефаном (1879г.) и теоретически обоснован Больцманом (1881г.) еще задолго до работ Планка.

Уже отмечалось, что все реальные тела имеют излучательную способность меньшую, чем у абсолютно черного тела. Кроме того, эта способность может описываться зависимостями от температуры и длины волны, отличающимися от установленных для абсолютно черного тела. Твердые тела, обладающие шероховатой поверхностью, имеют, как правило, сплошной спектр излучения, мало отличающийся от спектра излучения абсолютно черного тела. Если эти спектры подобны, то реальное тело называют серым. С некоторым приближением большинство реальных тел можно рассматривать как серые.

Для количественной характеристики излучательной способности реальных тел введено понятие степени черноты тела

ε = Q/Q₀ = E/E₀ ≤ 1,

тогда для реального тела

Е = εσT⁴ = εС₀ (Т/100)⁴,

где С₀ = 5,6687 Вт/м²· К⁴.

Степень черноты тела ε лежит в пределах 0 – 1. Значения ε, как правило, устанавливаются опытным путем.

Таким образом, регистрируя энергию излучаемую нагретым телом и исследуя ее зависимость от длины волны, можно судить о температуре поверхности тела.