Министерство образования и науки Российской Федерации
Казанский национальный исследовательский Технический Университет имени А.Н. Туполева – КАИ
Кафедра приборов и информационно-измерительных систем
Исследование фотоэлектрического эффекта для измерения физических величин
Методическое указание к лабораторной работе по дисциплине
«Физические основы получения информации»
Казань 2010
Министерство образования и науки Российской Федерации
Казанский национальный исследовательский Технический Университет имени А.Н. Туполева – КАИ
Кафедра приборов и информационно-измерительных систем
Исследование фотоэлектрического эффекта для измерения физических величин
Методическое указание к лабораторной работе по дисциплине
«Физические основы получения информации»
Авторы составители: А. А. Порунов
В.В. Солдаткин
Казань 2010
лабораторная работа №4
Исследование фотоэлектрического эффекта для измерения физических величин
Цель работы – изучение основных физических свойств и области применения, структурные построения оптоэлектрических измерительных преобразователей; экспериментальное и теоретическое исследование оптоэлектрических преобразователей.
1. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Краткие сведения из материала лабораторной работы.
вывод по теоретической части лабораторной работы.
Экспериментальное исследование оптоэлектрических преобразова-телей, согласно программы экспериментальных исследований.
Анализ полученных результатов и выводы.
2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ОПТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Оптическое излучение представляет
собой электромагнитные волны, длина
которых лежит в диапазоне 0,001…1000 мкм.
Оптический спектр делится на поддиапазоны,
(рис. 2.1,а), где приведены длины
волн
и частоты электромагнитных колебаний
(с = 2,998·108 м/с — скорость
света в вакууме).
а) б)
Рис. 2.1
Для описания оптических явлений применяют три системы величин: энергетическую, световую (фотометрическую) и квантовую. В квантовой системе величин свет рассматривается как поток частиц – квантов, энергия которых составляет wK = hv, где h — 6,6256-10-34 Дж·с – постоянная Планка.
Основной величиной энергетической и
фотометрической систем является поток
излучения Ф, определяемый в системе
энергетических величин в ваттах, а в
системе световых (фотометрических)
величин – в люменах. Световые величины
используются для оценки излучения по
производимому им световому ощущению,
т.е. по реакции человеческого глаза,
и связь между энергетическими и световыми
величинами устанавливают через
спектральную чувствительность глаза
.
Зависимость относительной спектральной чувствительности глаза от длины волны называют кривой видности (рис. 2.1,б) и определяется выражением
.
Для нормального глаза
=
1 при
= 0,555 мкм.
Если известна функция распределения
мощности излучения по длинам волн
,
(спектральная плотность излучения), то
видимый световой поток в люменах равен
.
Как следует из приведенной формулы, световому потоку 1 лм соответствует разная мощность в зависимости от спектрального состава света; в области максимальной чувствительности эквивалент энергетического потока равен 683 лм/Вт.
Для оптоэлектрических преобразователей используются следующие основные законы теплового излучения.
Закон Стефана-Больцмана определяет связь между энергетической светимостью R АЧТ и его температурой:
,
где
=5,6697·10-8
Вт/(м2·К4) — постоянная
Стефана-Больцмана.
Закон Планка дает качественную характеристику лучистого потока, указывая, как распределяется энергия излучения АЧТ по длинам волн.
Закон Голицина-Вина позволяет определить длину волны излучения АЧТ
.
Реальный тепловой излучатель
характеризуется коэффициентом излучения
(коэффициентом черноты)
,
который показывает, какую часть
энергетическая светимость R
данного тела составляет от энергетической
светимости АЧТ при той же температуре.
Т.о. законы излучения позволяют
использовать оптические методы для
бесконтактного измерения температуры
АЧТ, а при известном коэффициенте
— и для измерения температуры любого
реального тела.
Также используются законы распространения излучения. Свет распространяется в среде со скоростью
vx = с/п,
где п – оптическая плотность среды (показатель преломления). Показатель преломления воздуха п = 1,0003, поэтому скорость света в атмосфере незначительно отличается от скорости света в вакууме. Постоянство скорости света в вакууме используется для измерения расстояний. При измерении больших расстояний измеряется время, необходимое для прохождения светом расстояния до объекта измерения и обратно (световые локаторы и светодальномеры). Малые расстояния сравниваются с длиной световой волны посредством фазовых или интерференционных методов.
Поглощение света в веществе описывается законом Бугера-Ламберта
,
где
и
– интенсивности плоской монохроматической
волны на входе в слой поглощающего
вещества толщиной l
и на выходе из него;
– удельный показатель поглощения,
численно равный толщине слоя вещества,
после прохождения которого интенсивность
света уменьшается в е = 2,718 раза.
Показатель поглощения
зависит от длины волны (селективность,
или избирательность, поглощения) (для
воздуха 10-3 м-1, стекла – до
1 м-1.
Рассеяние света сопровождается изменением направления распространения света и проявляется как несобственное свечение вещества. Потери света в результате рассеяния могут быть выражены зависимостью
,
где hλ — коэффициент экстинкции.
Изменение интенсивности света в зависимости от толщины слоя, а также селективность поглощения и рассеяния лежат в основе действия ряда оптических преобразователей, предназначенных для определения толщины, уровня, концентрации, структуры и химического состава вещества.
Отражение и преломление света имеют
место на границе раздела двух
прозрачных сред (рис. 2.2).
Между углами падения
,
преломления
и отражения
существует простая связь:
= ; sin п1 = sin п2,
где п1 и п2 — коэффициенты преломления сред до и после границы раздела.
Рис. 2.2
Измеряя углы падения и преломления, можно определить коэффициенты преломления веществ (рефрактометрия), а интенсивность отраженного света позволяет оценить состояние поверхности (шероховатость, помутнение и т.д.).