Модуль 7 Тема № 7. Неразрушающие методы контроля на основе пип излучений

К ПИП излучений относятся фотоэлектрические и ионизационные датчики.

В основу фотоэлектрических ПИП положено явление фотоэффекта, т.е. освобождение носителей зарядов под действием светового или эл/м излучения.

При измерении несамосветящихся объектов в состав датчика входит осветитель и фотоприемник, при этом информативным может быть как отраженный световой поток так и прошедший через объект (рисунок 1).

ОК – объект контроля

ФП – фотоприемник

ИИ – источник излучения

Рисунок 1 – Структурная схема фотоэлектрического ПИП

В качестве источников излучения используются лампы накаливания, светодиоды, лазеры, а в качестве фотоприемников – фоторезисторы, фотодиоды, фотоэлектронные умножители, фотодиодные матрицы.

Л ампы накаливания. Сила тока определяется температурой нити накала. Световой называют температуру абсолютно черного тела, при которой спектральное излучение в видимой области подобно спектральному излучению самой нити накала.

«+» 1) значительный по величине поток излучения;

2) непрерывный спектр излучения.

«-» 1) значительная тепловая инерция, которая не позволяет модулировать световой поток с большой частотой;

2) ограниченный срок службы.

С ветодиоды. Энергия высвобожденных при рекомбинации электронов и дырок в p-n переходе передается в виде фотона.

«+» 1)малая постоянная времени, что позволяет иметь большую частоту модуляции;

2) определенный и ограниченный спектр излучения (инфракрасная область).

«-» слабый поток излучения и зависимость от температуры.

Л азеры. Лазерный эффект – это эффект усиления света, поддерживаемый положительной обратной связью. Лазеры являются источниками с очень высокой монохроматичностью и когерентностью.

1 . Фоторезистивные ПИП. Физическое явление, на котором основано их действие - фотопроводимость, вызванная внешним фотоэффектом, т.е. с увеличением освещенности сопротивление быстро падает.

Т емновое сопротивление, выпускаемых промышленностью фоторезисторов, составляет от 10⁴ до 10⁹ Ом. Зависимость сопротивления от светового потока:

где Ф – световой поток;

=0,5-1;

а – коэффициент, зависящий от материала светоизлучающей ячейки, t, .

Зависимость носит нелинейный характер, для линеаризации включают параллельно фоторезистору сопротивление большой величины.

Основные характеристики:

1) мощность рассеивания

(при питании от источника напряжения);

(от источника тока)

( при , )

2 ) статический коэффициент преобразования

, где ;

3) чувствительность:

;

4) спектральная чувствительность:

;

5) частотная характеристика:

Рисунок 2 – Зависимость спектральной чувствительности от частоты падающего излучения

Полоса пропускания 10²-10⁵ Гц

« +» высокое значение статического коэффициента преобразования и чувствительности.

«-» 1) нелинейность выходной характеристики, значительное время запаздывания и ограниченная полоса пропускания;

2) зависимость от температуры;

3) выходной сигнал не является прямоугольным.

О бласть применения:

- счетчик деталей;

- измерение частоты вращения;

- переключающие устройства;

- реле времени и уровня;

- датчики положения и перемещения.

2 . Полупроводниковые фотоприемники. К этой группе относятся фотодиоды и фототранзисторы.

Фотодиод может работать в 2-х режимах:

- фотогенератором (вентельный режим)

- фотодиодном.

В 1-м случае источник внешнего напряжения отсутствует, а во втором к фотодиоду приложено обратное напряжение. Для фотодиодного режима характерно наличие темнового тока при отсутствии излучения.

Р исунок 3 – Схема включения при фотодиодном режиме

П ри Ug, приложенном в обратном направлении, течет обратный ток Ir, величина этого тока определяется из формулы:

где q – величина заряда электрона,

I₀ – ток, вызванный неосновными носителями,

I_p – ток, вызванный фотоэффектом,

- - ток, вызванный основными носителями зарядов.

П ри действии большого Ug экспоненциальным членом можно пренебречь. Тогда формула примет вид:

Эквивалентная схема для фотодиодного режима представлена на рис.4.

Рисунок 4 – Эквивалентная схема

R_d – динамическое сопротивление перехода (10¹⁰ Ом),

C_d – емкость перехода (10 ^-12 Ф).

Относительные чувствительности для германиевых и кремневых фотодиодов в зависимости от длины волны представлены на рисунке 5.

Рисунок 5 – Относительные спектральные чувствительности

Особенность: фотодиодный режим линейный, темновой ток составляет порядка 1нА, постоянная времени = , полоса пропускания

Фотогенераторный режим

Отсутствуют внешний источник питания. Фотодиод работает как преобразователь энергии и эквивалентен генератору, который характеризуется либо напряжением холостого хода, либо током короткого замыкания.

При очень малом освещении:

<< ,

>> , .

Э квивалентная схема, что и для фотодиодного режима. Динамическая емкость C_d в 5-10 раз больше, чем для фотодиодного режима. Напряжение измеряется при R_m>>R_d. Ток короткого замыкания измеряется при Rm<<Rd.

Особенности – отсутствие темнового тока, что позволяет измерять малый световой поток; спектральная чувствительность одинакова с фотодиодным режимом; постоянная времени составляет 300 нс; полоса пропускания меньше, чем при фотодиодном режиме.

Схемы включения.

Для фотодиодного режима используется схема включения в цепь делителя и мостовой схемы. Эти схемы представлены на рисунках 6 и 7.

Рисунок 6 – Схема включения фотодиода в цепь делителя

Рисунок 7 – Мостовая схема включения фотодиода

Высокое быстродействие будет выполняться, при условии . Кроме того, оно обеспечивается за счет малого сопротивления нагрузки , где К – коэффициент усиления операционного усилителя.

Схема включения для фотогенераторного режим показана на рисунке 8. Она обеспечивает измерение тока короткого замыкания. Нагрузкой является R_вх операционного усилителя.

Рисунок 8 – Схема измерения U_xx

,

где Ом,

К – коэффициент усиления операционного усилителя.

И сходя из вышеизложенного, режим короткого замыкания характеризуется высоким быстродействием и малой постоянной времени.

Схема для измерения напряжения холостого хода U_xx изображена на рисунке 9.

Рисунок 9 – Фотогенераторный режим

Д анная схема позволяет измерить напряжение U_xx на фотодиоде VД, т.к. его обратное сопротивление очень высоко.

Фототранзистор – это транзистор, в базу которого заложен фотоэлемент, который может быть освещен. Электрически к этому элементу подключиться нельзя. Электрическая и эквивалентная схемы фоторанзистора представлены на рисунках 1 и 2.

Рисунок 1 – Электрическая схема Рисунок 2 – Эквивалентная схема

П ри освещении базы транзистор ведет себя как фотодиод в фотодиодном режиме, ток базы которого

, где

- обратный темновый ток;

- фототок.

Этот ток вызывает коллекторный ток

Таким образом, диод выдает ток базы, а транзистор коэффициент усиления .

Принцип работы. Под действием светового потока выделенные пары разделяются электрическим полем, существующим на переходе база-коллектор на «n» и «р».

Д ырки скапливаются в базе, увеличивая ее потенциал, и тем самым понижают потенциальный барьер Э-Б (U_ЭБ) в результате чего возникает ток I_ЭБ и I_К. Напряжение на выходе фототранзистора будет определяться выражением

Основные параметры:

• темновой ток составляет 10^-8-10^-9 А имеет логарифмическую зависимость от U_K и увеличивается с ростом температуры;

• чувствительность составляет (10-100) А/Вт;

• линейность сохраняется при малых световых потоках, а при больших – наступает режим насыщения;

• быстродействие повышается при увеличении тока коллектора;

• граничная частота f_c=300 КГц.

Схемы включения:

• коммутаторная схема включения;

• линейная схема для измерения слабых световых потоков;

• дифференциальная схема включения для компенсации темнового тока.