42. Фотоэлектрические измерительные преобразователи. Конструкция, принцип действия, параметры и характеристики, достоинства и недостатки

Фотоэлектрический преобразователь представляет собой фотоэлектронный прибор (фотоэлемент), используемый в качестве измерительного преобразователя. Имеются три типа преобразователей: преобразователи с внешним фотоэффектом, с внутренним фотоэффектом и фотогальванические преобразователи. Наибольшее применение нашли преобразователи двух последних типов.

К преобразователям с внешним фотоэффектом относятся вакуумные и газонаполненные фотоэлементы и фотоэлектронные умножители. Вакуумные фотоэлементы состоят из вакуумированной стеклянной колбы, содержащей два электрода: анод и катод. При освещении фотокатода под влиянием фотонов света он эмитирует электроны. Если между анодом и фотокатодам приложено напряжение, то эти электроны образуют электрический ток; поскольку он вызван фотонами, его называют фототоком. Для фотоэмиссии электронов необходимо, чтобы энергия фотона была больше работы выхода электронов Ф, характерной для данного материала фотокатода.

где v — частота света;

Ф – работа выхода электронов с поверхности катода

h — постоянная Планка

Частота называется красной границей фотоэффекта, а соответствующая ее длина волны длинноволновым порогом фотоэффекта.

При внешнем фотоэффекте существует граница его существования:

- длина световой величины

где с — скорость света,

Если то никакая интенсивность света не может вызвать фотоэффект.

Чувствительный элемент преобразователей с внутренним фотоэффектом (фоторезисторов} выполнен в виде пластинки, на которую нанесен слой полупроводникового фоточувствительного материала. В качестве фоточувствительного материала обычно используется сернистый кадмий, селенистый кадмий или сернистый свинец.

Электропроводность полупроводниковых материалов обусловлена возбуждением электронов в валентной зоне и примесных уровнях. При возбуждении электроны переходят в зону проводимости; в валентной зоне появляются дырки. При освещении возбуждение электронов увеличивается, что вызывает увеличение электропроводности. Красная граница фоторезисторов находится в инфракрасной области. При небольших освещенностях преобразователя число возбужденных светом электронов пропорционально освещенности, его электрическая проводимость

где I_ф – фототок; U – напряжение, приложенное к преобразователю.

При больших освещенностях пропорциональность нарушается. Типичная зависимость фототока от освещенности приведена на рис, 4.46,а. Чувствительность фоторезисторов определяется кратностью изменения их сопротивления. Для некоторых типов она достигает значения

где R_T — темновое сопротивление, т. е. сопротивление неосвещенного преобразователя; R₂₀₀ — сопротивление при В = 200 лк. ВАХ фоторезисторов линейна (рис, 4.46,6), т. е. их сопротивление не зависит от приложенного напряжения. Инерционность характеризуется постоянной времени τ.

Ф оторезисторы имеют высокую чувствительность. Однако их сопротивление зависит от температуры подобно сопротивлению термисторов. Для уменьшения температурной погрешности они включаются в смежные плечи моста.

Преимущества

1. Простота конструкции

2. Высокая чувствительность

3. Доступность технической реализации и светочувствительных элементов

Недостатки

1. Сопротивление зависит от температуры (для устранения недостатка включают в мостовые схемы)

2. Влияние ОС на ВАХ (пыль, конденсат)

Фотогальвтшческие преобразователи представляют собой фотоэлектронные приборы с p-n-переходом: фотодиоды и фототранзисторы. При освещении перехода создается дополнительная концентрация носителей в п-слое. Это приводит к усилению их диффузия к р-п-переходу и в самом переходе. У диода, подключенного к запирающему напряжению (рис. 4.47), под действием света возрастает обратный ток. Вольтамперная характеристика германиевого фотодиода приведена на рис. 4.47.б. При отсутствии освещения она не отличается от характеристики обычного диода, а при освещении смещается вверх пропорционально величине светового потока.

Наиболее распространены германиевые и кремниевые фотодиоды. Их спектральные характеристики заходят в область инфракрасного излучения.

Фотодиоды могут работать в фотодиодном и генераторном (вентильном) режимах. В фотодиодном режиме преобразователь подключают к запирающему напряжению (рис. 4.47,а). При увеличении его освещенности возрастает обратный ток, что приводит к увеличению напряжения U_н на сопротивлении R_h. Напряжение U_н и чувствительность можно определить по ВАХ и нагрузочной прямой (рис. 4.47,6). Зависимость тока фотодиода от освещенности практически линейна. Внутреннее дифференциальное сопротивление фотодиода имеет величину порядка мегаомов, поэтому обычно они работают в режиме, близком к короткому замыканию.

Полный ток фотодиода I можно рассматривать как сумму

где I_ф – фототок, определяемый световым потоком Ф; S – чувствительность, I_т

– ток неосвещенного фотодиода, ∆I_ф – приращение

В генераторном режиме фотодиод включают по схеме, приведенной на рис. 4.48, а, и он сам является источником тока. Фототок, напряжение на нагрузке и чувствительность можно определить по ВАХ, приведенной на рис. 4.48, б.

Преимущества фото преобразователей:

1. могут использоваться для измерения малых линейных и угловых измерений, а также скорости.

2. возможность проведения без контактных измерений местоположения и перемещения

3. отсутствие механического воздействия на объект измерения.

4. высокая чувствительность к интенсивности светового потока и его световых составных.

Недостатки фото преобразователей:

1. значительная погрешность, вызванная свойствами материалов от температуры.

2. влияние пыли и влажности среды на выходные характеристики.

3. влияние старения светочувствительного материала на хар-ки преобразователя.

Область применения:

1. измерение концентрации веществ в растворе на основе оценки поглощения света раствором.

2. работа в релейном режиме с целью измерения частоты вращения вала имеющего диск с отверстиями (измеряемая угловая скорость преобразуется в частоту эл. импульсов).

3. измерение угловых перемещений и скорости.

4. измерение местоположения объектов.

5. использование фотоумножителя и в системах энергоснабжения

46 Измерительные схемы терморезистивных измерительных преобразователей.

Для включения термопар используются:

1 ) пирометрические милливольтметры;

2) мостовые измерительные схемы

При нагревании рабочего конца термопары до t на выходе термопары образуется термоэдс Е, которая компенсируется эдс Е_к, создаваемой в диагонали. Разница Е-Е_к поступает на вход усилителя, который создает управляющее воздействие для привода рабочего двигателя до тех пор пока при перемещении движка реохорда R_p разница Е- Е_к не примет значение 0. Одновременно на шкале реохорда будет зафиксировано значение измеряемой температуры.

3) схема уравновешенного моста

В ысокая точность измерения температуры достигается в том случае, если температура свободных концов постоянна. Для стабилизации температуры свободных концов резистор включают в одно из плеч моста и располагается вместе с термопарой на объекте измерения. Изменение температуры концов термопары компенсируется соответствующим изменением напряжения в мостовой схеме.

Структурная схема измерения

Преимущества:

1) простая конструкция и отсутствие внутреннего источника эдс.

2) высокая точность и чувствительность,

3) широкий диапазон измеряемых температур,

4) линейное уравнение преобразования,

5) использование измерительных схем позволяет повысить точность измерения температуры,

Недостатки:

1) высокая инерционность,

2) подключение термопары должно осуществляться специальными калиброванными проводниками,

3) необходимость использования специальных чехлов.