 |
Фотоэлектрические преобразователи 1 глава
|
|
|
|
Фотоэлектрическими называются такие преобразователи, у которых величина выходного сигнала изменяется в зависимости от величины светового потока, падающего на преобразователь. Явление фотоэффекта было открыто русским ученым А.Г.Столетовым в 1888 г.
Фотоэлектрические преобразователи, или, как мы будем их называть в дальнейшем, фотоэлементы, подразделяются на три типа: фотоэлементы с внешним фотоэффектом, фотоэлементы с внутренним фотоэффектом и фотогальванические преобразователи.
Фотоэлементы с внешним фотоэффектом. Они представляют собой вакуумные или газонаполненные сферические стеклянные баллоны, на внутреннюю поверхность которых наносится слой фоточувствительного материала, образующий катод. Анод выпол- няется в виде кольца или сетки из никелевой проволоки. В затем- ненном состоянии через фотоэлемент проходит темновой ток, как следствие термоэлектронной эмиссии (порядка 10 -12А) и утечки между электродами (порядка 10-10... 10-7А). При освещении фото- катод под влиянием фотонов света эмитирует электроны. Если между анодом и катодом приложено напряжение, то эти электроны образуют электрический ток. При изменении освещенности фото- элемента, включенного в электрическую цепь, изменяется соответ- ственно фототек в этой цепи. Выходные токи вакуумных фотоэле- ментов не превышают нескольких микроампер. Значительное уси- ление тока фотоэмиссии (порядка 1 мА) получают в фотоумножи- телях.
Газонаполненный фотоэлемент аналогичен вакуумному, но имеет определенное газовое наполнение. Благодаря ионизации газа
происходит повышение чувствительности фотоэлемента и увели- чение тока фотоэмиссии. К газонаполненным фотоэлементам от- носятся, например, кислородно-цезиевыс типа ЦГ, к вакуумным – кислородно-цезиевые типа ЦВ и сурьмяно-цезиевые типа СЦВ.
|
|
|
Фотоэлементы с внешним фотоэффектом, как правило, тре- буют применения усилителей, так как их мощность очень мала. Как видно из световых характеристик фотоэлементов различных типов (рис. 4.1), пропорциональность между фототоком и свето- вым потоком сохраняется не на всем протяжении кривых 1...3, что важно учитывать для получения линейной шкалы измери- тельного прибора.
80 2
1
40
3
0 0,1 0,2 0,3 0,4 Ф,лм
Рис. 4.1. Световая характеристика фотоэлементов: 1 – кислородно-цезиевого, газонаполненного; 2 – сурьмяно-цезиевого, вакуумного;
3 – кислородно-цезиевого, вакуумного
Отношение тока, усиленного за счет ионизации, к первичному фототоку называется коэффициентом газового усиления, и он может достигать значения 6...7. Чувствительность газонаполнен- ных фотоэлементов значительно выше вакуумных и составляет 100...250 мкА/лм.
Вольт-амперные характеристики (ВАХ) вакуумных и газона- полненных фотоэлементов (рис. 4.2) имеют различный характер кривых насыщения. Преобразование светового потока в ток в ва- куумных фотоэлементах (рис. 4.2, а) зависит от напряжения пи- тания фотоэлемента весьма незначительно, а это значит, что в
данном случае динамическое сопротивление фотоэлемента оста- ется практически неизменным.
Чувствительность газонаполненных фотоэлементов (рис. 4.2, б) сильно зависит от напряжения питания, поэтому оно должно ста- билизироваться и не превышать 100...240 В, так как выше этого значения идет область самостоятельного разряда.
|
мкА/лм
20 200
10
СЦВ
100
а 50 100 UФ,В б
100
200 UФ,В
Рис. 4.2. Вольтамперные характеристики фотоэлементов: а – вакуумных; б – газонаполненных
На практике широко используются вакуумные фотоэлементы, имеющие бесспорные преимущества перед газонаполненными: независимость в определенном диапазоне от питающего напря- жения, высокая температурная устойчивость, меньшая утомляе- мость и инерционность (преобразование светового потока в ток в них осуществляется практически безынерционно).
|
|
|
Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом (фоторезисто- ры). Они представляют собой однородную полупроводниковую пластинку с контактами, например из селенида кадмия, которая под действием светового потока изменяет свое сопротивление. Внутренний фотоэффект заключается в появлении свободных электронов, выбитых квантами света из электронных орбит ато- мов, остающихся свободными внутри вещества. Появление сво- бодных электронов в материале, например в полупроводнике,
эквивалентно уменьшению электрического сопротивления. Фо- торезисторы имеют высокую чувствительность и линейную вольт-амперную характеристику (ВАХ), т.е. их сопротивление не зависит от приложенного напряжения. Темновое сопротивление, чувствительность, инерционность зависят от температуры. Для уменьшения температурной погрешности рекомендуется фоторе- зисторы включать в смежные плечи моста.
Внутренний фотоэффект наиболее сильно выражен у таких полупроводников, как селен, сернистый свинец, сернистый кад- мий, селенид кадмия и др. В зависимости от силы света электри- ческое сопротивление фоторезистора изменяется от 100 до 1 кОм. Спектральная чувствительность определяется выбором материа- ла. Так, CdS (сульфид кадмия) обладает максимальной чувстви- тельностью в зеленой области спектра и поэтому особенно при- годен для применения в измерителях освещенности. В противо- положность этому максимум спектральной чувствительности CdSe (селенид кадмия) находится в красной области, а у фоторе- зисторов из PbSn PbSe (сульфид свинца и селенид свинца) – в ИК области. Фоторезисторы могут иметь самые разнообразные кон- структивные решения, обеспечивающие разнообразие возможно- стей применения. Они обладают высокой удельной чувствитель- ностью (до 7000 мкА/(лм В)) (что в некоторых случаях дает воз- можность обойтись без усилителей), низким температурным ко- эффициентом (0,002 1 /К), допускают сравнительно большую мощность рассеивания (0,6.,.0,7 Вт), имеют практически неогра- ниченный срок службы и достаточно стабильны. К недостаткам этих фотоэлементов можно отнести значительную инерционность и сравнительно высокий уровень шумов.
|
|
|
Фотогальванические преобразователи (фотодиоды и фото- транзисторы). Эти преобразователи представляют собой актив- ные светочувствительные полупроводники, создающие при по-
глощении света вследствие фотоэффектов в запорном слое сво- бодные электроны и ЭДС. Фотодиоды (ФД) могут работать в двух режимах – фотодиодном и генераторном (вентильным).
Фототранзистор – полупроводниковый приемник лучистой энергии с двумя и большими числами p - n переходов, в которых совмещены фотодиод и усилитель фототока. Фототранзисторы, как и фотодиоды, применяются для преобразования световых сигналов в электрические. Однако в фототранзисторах наличие второго р - п перехода увеличивает собственные шумы. Их чув- ствительность почти в два раза выше, чем у фотодиодов, и они обладают электрической и технологической совместимостью с интегральными схемами.
Вентильные фотоэлементы. Из них наибольшее распростра- нение получили селеновые и сернисто-серебряные. Эти фотоэле- менты обладают тем свойством, что под действием лучистой энергии они становятся источниками тока. По этому признаку их можно было бы отнести к генераторным преобразователям, одна- ко, чтобы не разбивать группу фотоэлектрических преобразова- телей, их целесообразно рассмотреть в данном подразделе.
Работу фотоэлементов можно оценить по следующим характе- ристикам:
• световая характеристика – зависимость фототока от интен- сивности светового потока, падающего на фотоэлемент I Ф= f (Ф);
• спектральная характеристика – зависимость фототока от длины волны световых лучей I Ф= f (λ);
• частотная (инерционная) характеристика – зависимость фототока от частоты изменения интенсивности падающего свето- вого потока: I Ф= f (f п);
• вольт-амперная характеристика (ВАХ) – зависимость фото-
тока от напряжения I Ф= f (U);
• температурная характеристика – изменение фототока от температуры фотоэлемента I Ф= f (tº). Однако от изменения темпе- ратуры зависит и спектральная характеристика фотоэлемента;
|
|
|
• усталость фотоэлемента – изменение характеристик фото- элементов в зависимости от времени его работы.
В генераторном (вентильном) режиме ФД сам является источ- ником тока. Высокая чувствительность вентильных фотоэлемен- тов во многих практических случаях вполне позволяет обойтись без усиления фототоков.
Наиболее распространенными являются селеновые, сернисто- серебряные и кремниевые фотоэлементы. У селеновых фотоэле- ментов чувствительность составляет примерно 400...500 мкА/лм, а у сернисто-серебряных – 7000 мкА/лм. Селеновые фотоэлемен- ты более стабильны и имеют большой срок службы.
Чувствительность кремниевых фотоэлементов достигает 7000 мкА/лм. Они практически безынерционны (τ= 10 -6с), стабильны и имеют низкий уровень шумов. Сила тока на выходе преобразо- вателя с вентильным фотоэлементом на линейном участке харак- теристики (рис. 4.3) определяется по формуле.
I вых= S фФ;
где S Ф – чувствительность фотоэлемента (с учетом нагрузки); Ф – световой поток.
IФ,мкА
400
300
200
100
50 Ом
100 Ом
1000 Ом
2000 Ом
0 0,5 1,0 Ф,лм
Рис. 4.3. Зависимость I=f(Ф) для кремниевого фотоэлемента
До освещенности 1000 лк чувствительность кремниевых фото- диодов постоянна и составляет 0,1...2 мкА/лк. Они имеют энерге- тический КПД до 11 %, поэтому применяются также для электро- питания электронных измерительных приборов, например в виде солнечных элементов кварцевых часов, батарей на спутниках и т.д. Они могут использоваться при температурах до 150°С.
Упрошенная принципиальная схема включения фотоэлемента в вентильном режиме приведена на рис. 4.4. Здесь измеритель И включается непосредственно к зажимам фотоэлемента VD, кото- рый под действием источника света Л является источником тока.
Л
VD
И
Рис. 4.4. Схема включения фотоэлемента в вентильном режиме
В фотодиодном режиме к ФД приложено запирающее напря- жение. При отсутствии облучения под действием этого напряже- ния проходит лишь небольшой темновой ток, а при освещении р-n перехода этот ток линейно увеличивается в зависимости от интенсивности облучения. В фотодиодном режиме ФД может рассматриваться как резистор и включается в схемы делителей или мостовые измерительные цепи, позволяющие уменьшить влияние дрейфа темнового тока. ФД по напряжению питания хо- рошо согласуются с полупроводниковыми электронными элемен- тами, поэтому используются в схемах совместно с операционны- ми усилителями. Фоторезисторы широко применяются в преоб- разователях перемещений. Принципиальная схема включения фотоэлемента в фотодиодном режиме представлена на рис. 4.5.
|
|
|
+Ua
R3
VD
Л 3
4
7
R4 V
R1 R2
Рис. 4.5. Схема включения фотоэлемента в фотодиодном режиме
В зависимости от степени освещенности фотоэлемента меня- ются показания вольтметра V. Схемы с усилителями постоянного тока очень чувствительны к помехам и нестабильности напряже- ния источника питания. Это вызывает большие погрешности из- мерения. Поэтому для усиления фототоков часто применяют уси- лители переменного тока, которые менее чувствительны к поме- хам и нестабильности напряжения питания.
Кроме того, источниками погрешностей измерения являются: нестабильность напряжения источников питания фотоэлемента; нестабильность напряжения питания источников света, так как от напряжения зависит величина светового потока: изменение ха- рактеристики фотоэлементов во времени.
Для исключения этих погрешностей применяют дифференци- альные фотоэлектрические преобразователи. Наилучший резуль- тат дает применение дифференциальных преобразователей в ну- левом режиме метода сравнения (рис. 4.6).
Здесь распределение напряжения между двумя фотоэлемента- ми VD1 и VD2 определяется отношением падающих на них све- товых потоков и не зависит от абсолютного значения последних.
Следует отметить, что избавление от погрешностей дает при- менение дифференциальных преобразователей лишь в нулевом режиме схемы сравнения. Погрешности, обусловленные измене- нием напряжения питания U фотоэлементов, а также изменением
характеристик фотоэлементов во времени у приборов с диффе- ренциальными преобразователями, работающими в неравновес- ном режиме, имеют место в той же мере, что и у приборов с не- дифференциальными преобразователями.
R1
VD1
Л
НИ
VD2
R2
U
Рис. 4.6. Дифференциальная схема включения преобразователей
Добиться исключения влияния непостоянства характеристик можно, если использовать дифференциальный преобразователь с одним фотоэлементом (рис. 4.7). Свет от лампы Л разделяется на два пучка. При помощи дополнительных зеркал 3 оба пучка по- падают на фотоэлемент VD. На пути обоих пучков света поме- щен вращающийся от синхронного двигателя Дв диск с зубцами Д. Диск выполнен таким образом, что его зубцы поочередно пе- ребивают то один, то другой пучок, модулируя таким образом световой поток.
Д 3
VD
Л Дв
3
Рис. 4.7. Дифференциальный преобразователь с одним фотоэлементом
При равенстве световых потоков освещение фотоэлемента остается постоянным, при неравенстве световых потоков возни- кает переменная составляющая фототока, усиливаемая электрон- ной цепью.
Фотоэлектрические преобразователи в настоящее время широ- ко применяют для измерения различных неэлектрических величин, особенно в системах автоматического контроля и регулирования: температуры тела, качества поверхности, скорости вращения, кон- центрации растворов и т.д. Рассмотрим принцип использования фотоэлементов для измерения неэлектрических величин.
Фотоэлектрические тахометры. Принцип действия фото- электрических тахометров состоит в измерении частоты пере- менного тока фотоэлемента, освещенного световым потоком, мо- дулированным вращающимся объектом измерения.
На рис. 4.8 изображен принцип использования фотоэлемента для измерения угловой скорости вращения ω х вала. Здесь преры- вание светового потока, падающего на фотоэлемент VD от источ- ника питания Л, осуществляется с помощью диска Д с прорезями, который вращается вместе с валом. Далее сигнал усиливается ОУ, поступает на двоичный счетчик Ст2, дешифратор ДС.
+Uв
VD
R
ωx
ОУ Ст2 ДС HL
Л
Рис. 4.8. Схема измерения угловой скорости вращения вала
Счетчик HL регистрируют число затемнений фотоэлемента, которое является функцией скорости вращения вала.
Нефелометры. Фотоэлектрические приборы, измеряющие мутность растворов, называются нефелометрами. На рис. 4.9 по- казана оптическая схема прибора для контроля мутности иссле- дуемой среды ИС методом сравнения с образцовой средой ОС.
ОС
З2 Д2
Л2 Л4
Л ИС
Д1
ФС2
ФС1
31 Л1 Л3
Рис. 4.9. Схема прибора для контроля мутности растворов
Свет от источника Л при помощи зеркал 31 и 32 и линз Л1, Л2, Л3 и Л4 направляется через кювету с испытуемым раствором на фотосопротивление ФС1 через образцовую среду – на фотосо- противление ФС2. Д1 и Д2 – диафрагмы, регулирующие осве- щенность фотосопротивлений. Во время измерений величина со- противления ФС2 остается неизменной, величина же ФС1 изме- няется в зависимости от большего или меньшего поглощения светового потока исследуемой средой.
При изменении сопротивления ФС1, т.е. при увеличении мут- ности раствора ИС, в схему управления поступает сигнал о нарушении режима или управляющий импульс для приведения в действие регулирующего органа.
Фотоэлектрические расходомеры. Применение фотоэлемен- тов позволило создать ряд надежных и простых расходомеров жидкостей и газов.
На рис. 4.10 представлена принципиальная схема расходомера, принцип действия которого основан на автоматическом измерении длительности наполнения объема определенной величины. Дей- ствие такого расходомера заключается в следующем: при дости- жении уровня нижнего фотосопротивления ФС1 жидкость погло- щает часть световой энергии, направленной на ФС1, его сопротив- ление возрастает, реле Р1 выключается и его нормально замкнутые контакты 1Р1 запускают счетчик времени Сч. При заполнении жидкостью калиброванной трубки до уровня верхнего фотосопро- тивления ФС2 выключается реле Р2 и его контакты 1Р2 отключа- ют счетчик.
Л2
ФС1
Л1
P2
1Р2
|
1Р1
Рис. 4.10. Принципиальная схема расходомера
Объемный расход жидкости:
4 t
где d – внутренний диаметр трубы; Н – расстояние между оп- тическими осями ФС1 и ФС2; τ – время, отсчитанное счетчи- ком Сч.
При постоянном значении Н показания счетчика будут соот- ветствовать определенному расходу жидкости.
4.2. Емкостные преобразователи
Емкостный преобразователь представляет собой конденсатор, емкость которого изменяется под действием измеряемой неэлек- трической величины.
В качестве емкостного преобразователя широко используется плоский конденсатор, емкость которого можно выразить формулой
C = e 0 eS / d,
(4.1)
где ε0 – диэлектрическая постоянная воздуха, равная 8,85 · 10 -12Ф/м; ε – относительная диэлектрическая проницаемость среды между обкладками конденсатора; S – площадь обкладки; δ – рас- стояние между обкладками.
Так как измеряемая неэлектрическая величина может быть функционально связана с любым из этих параметров, то устройство емкостных преобразователей может быть самым различным в зави- симости от области применения. При измерении уровней жидких и сыпучих тел находят применение цилиндрические или плоские кон- денсаторы. Для измерения малых перемещений, быстроизменяю- щихся сил и давлений применяются дифференциальные емкостные преобразователи с переменным зазором между обкладками. Рас- смотрим принцип использования емкостных преобразователей для измерения различных неэлектрических величин.
Емкостный уровнемер. На рис. 4.11 показано устройство ем- костного преобразователя для измерения уровня. Емкостный уровнемер представляет собой коаксиальный конденсатор.
Его электроды 1 и 2 изолированы один от другого. Емкость такого преобразователя С может быть определена как емкость двух параллельно соединенных конденсаторов; один из них С1 образован частью электродов и диэлектриком – жидкостью, уро- вень которой измеряется, а другой С2 – остальной частью элек- тродов и диэлектриком – воздухом:
C = C + C
= [ le + (l - )e ] 2 p,
(4.2)
1 2 0
0 ln(R 1 / R 2 )
где l 0 – полная длина преобразователя, м; l – длина преобразова- теля, заполненного жидкостью, м; ε0– электрическая постоянная воздуха, Ф/м; ε – диэлектрическая проницаемость жидкости; R1 и R2 – радиусы внешнего и внутреннего цилиндров, м.
В измерительную цепь
2 1
С2
С1
Рис. 4.11. Емкостный уровнемер: 1,2 – электроды
Таким образом, по мере заполнения жидкостью преобразова- теля емкость его будет изменяться в функции от уровня.
Толщиномер. На рис. 4.12 представлен принцип действия ем- костного толщиномера, измеряющего толщину ленты 2 из ди- электрика (например, резины).
2 В измерительную цепь
1
Рис. 4.12. Емкостный толщиномер: 1 – обкладки конденсатора; 2 –лента
Лента протягивается между обкладками 1 конденсатора, и в зависимости от ее толщины изменяется диэлектрическая прони-
цаемость межэлектродного пространства. Если обозначить длину зазора между обкладками конденсатора через δ, толщину ленты диэлектрика через δ Д, а диэлектрическую проницаемость ленты через ε д, то емкость можно выразить как:
C = S.
d - d Д + d Д
e 0 e Д
Измерители силы и перемещений. При измерении механи- ческой силы или перемещений используется зависимость емко- сти от расстояния δ между обкладками 1 и 2 преобразователя (рис. 4.13).
1
В измерительную δ
цепь
Р 2
Рис. 4.13. Измеритель перемещений: 1, 2 – обкладки преобразователя
Зазор δ изменяется в зависимости от величины измеряемого усилия или перемещения.
Схемы с дифференциальным преобразователем (рис. 4.14) имеют большую чувствительность и точность. Обкладка 3 за- креплена на пружинах и перемещается параллельно самой себе под действием измеряемой силы Р. Обкладки 1 и 2 неподвижны.
P 1
3
δ1
δ2
2
Рис. 4.14. Дифференциальный измеритель силы Р. 1...3 – обкладки преобразователя
Емкость между обкладками 2 и 3 увеличивается, а между об- кладками 1 и 3 уменьшается.
Емкостные преобразователи для измерения малых перемеще- ний (порядка 10-6– 10-3м) отличаются высокой чувствительно- стью, линейностью, малыми погрешностями и одновременно простотой конструкции и легкостью подвижной части, что в ряде случаев делает их незаменимыми.
Измеритель угла поворота. На рис. 4.15 изображен принцип устройства емкостного преобразователя для измерения угла по- ворота вала.
Подвижная обкладка измерителя 2, жестко скрепленная с ва- лом 3, перемещается относительно неподвижной обкладки 1 так, что зазор между обкладками сохраняется неизменным, но изме- няется действующая площадь обкладок, а следовательно, и ем- кость преобразователя. Рабочий зазор δ несоизмеримо мал по от- ношению к зазору δ 1.
1
δ
δ1
ω
3 2
Рис. 4.15. Измеритель угла поворота вала: 1, 2 – неподвижная и подвижная кладки измерителя соответственно; 3 – вал
Путем соответствующего выбора формы пластин можно полу- чить любую функциональную зависимость между изменением ем- кости и входным угловым перемещением. Подобного типа преобра- зователи применяются и для измерения линейных перемещений.
Измеритель влажности. Емкостные преобразователи исполь- зуют для измерения влажности различных веществ: пряжи, во- локна, кожи, зерна и т.д.
На рис. 4.16 представлено устройство преобразователя для измерения влажности волокна или пряжи.
В измерительную цепь
Испытуемое вещество
Рис. 4.16. Измеритель влажности вещества
Цилиндрический конденсатор заполняется исследуемой пря- жей или волокном и включается в одно из плеч измерительного моста.
Так как вода имеет очень высокую относительную диэлектри- ческую проницаемость (εН2О= 81) по сравнению с ε для осталь- ных веществ (ε= 1...6), то в зависимости от влажности испытуе- мого вещества диэлектрическая проницаемость, а следовательно, и емкость преобразователя будут изменяться.
Измерительные цепи с емкостными преобразователями. В большинстве случаев емкостные преобразователи включаются в мостовые цепи переменного тока. Для повышения точности и чувствительности емкостный преобразователь делается диффе- ренциальным и включается в соседние плечи моста.
Для того чтобы было возможно реализовать преимущества емкостных преобразователей, необходимо выполнить ряд требо- ваний к измерительной цепи.
Емкостные преобразователи, как правило, имеют малую ем- кость (десятки-сотни пикофарад) и поэтому при промышленной частоте обладают весьма малой мощностью.
Если, например, преобразователь имеет емкость СПр = 100 пФ, то при частоте f = 50 Гц и напряжении питания U= 50 В получаем:
PПр = U 2 wCПр = 5022 p 50 ×100 ×10-1280 ×10-16 В × А.
Так как мощность измерителя должна быть меньше мощности преобразователя, то, очевидно, в качестве измерителя может быть использован только электронный прибор.
Сопротивление емкостного преобразователя очень велико.
|
|
|
