. Оптико-електричні перетворювачі

Оптико-електричними перетворювачами неелектричних величин на електричні називають такі, в яких вимірювана неелектрична величина і вихідна електрична зв'язані по­током електромагнітного випромінювання світлового діа­пазону частот (f = 10¹²-f-10¹⁷ Гц, Я = 300 -~ 0,003 мкм).

Оптико-електричний перетворювач містить джерело ви­промінювання, оптичний канал і приймач, у якому енергія випромінювання перетворюється на електричну.

Джерелами оптичного випромінювання звичайно є фо­тометричні лампи розжарювання, газорозрядні лампи, світлодіоди та оптичні квантові генератори.

Приймачі оптичного вимірювання поділяють на тепло­та фотоелектричні. До теплоелектричних належать термо­перетворювачі та болометри, принцип роботи яких полягає в попередньому перетворюванні світлової енергії на тепло­ву і дальшому перетворенні на електричну. До фотоелек­тричних приймачів належать перетворювачі, у яких вико­ристовуються явища зовнішнього та внутрішнього фотоефектів: вакуумні та газонаповнені фотоелементи, фоторезистори, вентильні фотоелементи, фотодіоди і фототріоди, а також фотогальваномагнітні перетворювачі.

Принцип дії оптико-електричних перетворювачів поля­гає в тому, що один із параметрів вихідного електричного сигналу функціонально зв'язаний з певним параметром світлового потоку. Останній є функцією вимірюваної не­електричної величини.

Принципово можливі кілька варіантів використання вказаних функціональних зв'язків, а саме:

а) джерелом випромінювання є сам об'єкт дослідження. Тоді параметри світлового потоку є функціями параметрів об'єкта і цей зв'язок можна використати для здійснення про­цесу перетворення. Найчастіше вимірюваним параметром у таких перетворювачах є температура. Прикладом можуть бути перетворювачі фотоелектричних пірометрів, де інтен­сивність світлового потоку і спектральний розподіл інтен­сивності є функціями температури об'єкта дослідження. Робота таких перетворювачів грунтується на залежності від температури сумарної (радіаційної) енергії випромі­нювання тіла (закон Стефана—Больцмана)

або енергії монохроматичного випромінювання з довжиною хвилі К (закон Віна)

Тут с — швидкість світла у вакуумі; h — стала Планка; N — число Авогадро; R — універсальна газова стала.

Обидві формули справедливі для абсолютно чорного тіла. У вираз для сумарної енергії реальних тіл вводиться кое­фіцієнт 6_т(6_т < 1 —сумарний коефіцієнт випромінювання), а для спектральної енергії —коефіцієнт є_?. (О < є_γ< 1 — відносна випромінююча здатність тіла на певній ділянці спектра);

б) світловий потік від додаткового джерела випроміню­вання проходить через досліджуваний об'єкт, в якому він частково поглинається залежно від значення вимірюваного параметра об'єкта.

Закон поглинання світлового потоку можна подати у ви­гляді:

де k\ — коефіцієнт поглинання; С — концентрація розчину; х\—коефіцієнт, що залежить від властивостей молекул розчиненої речовини; k{ — коефіцієнт, що залежить від розмірів і властивостей розсіюючих частинок; х —довжина шляху світлового потоку. Коефіцієнти k\, k{ та х\ зале­жать також від довжини хвилі.

Зміну інтенсивності (залежно від товщини шару дослі­джуваної речовини) і селективність поглинання покладено в основу дії ряду оптичних перетворювачів, призначених для визначення товщини, рівня, концентрації, структури та хімічного складу речовини;

в) світловий потік від допоміжного джерела випроміню­вання падає на поверхню об'єкта, і частина потоку, відби­ваючись від поверхні, надходить на приймач. Співвідношен­ня між падаючим і відбитим потоками несе інформацію про якість і стан цієї поверхні. Так будують перетворювачі для вимірювань блискучості та шорсткості поверхні, а також вологості за точкою роси;

г) світловий потік від допоміжного джерела частково екранується в оптичному каналі. Ступінь екранування може нести інформацію про лінійні розміри та переміщення об'єк­тів. Цим методом користуються для вимірювань малих лі­нійних розмірів та переміщень (наприклад, вимірювання товщини нитки).