11. Фотоэлектрические датчики
Широкое применение при автоматизации различных производственных процессов находят фотоэлектрические устройства, преобразующие световой поток в электрический сигнал. В настоящее время выпускают три вида таких преобразователей: с внешним фотоэффектом (вакуумные или газонаполненные, рис. 1.49, а); с внутренним фотоэффектом (фотосопротивления, рис. 1.49, б) и вентильные (полупроводниковые, рис. 1.49, в).
Основными характеристиками фотоэлементов являются:
световая – зависимость фототока от освещенности Iф = f(Ф) (рис.1.49);
спектральная – зависимость чувствительности S от длины волны падающих лучей S =f();
вольт-амперная – зависимость фототока от величины напряжения, поступающего на фотоэлемент Iф=f(U);
частотная – зависимость чувствительности от частоты изменения светового потока.
Рис. 1.49. Фотоэлектрические датчики
Фотоэлементы с внешним фотоэффектом (рис. 1.49, а) представляют собой вакуумную или газонаполненную лампу, на внутреннюю стенку которой нанесен фоточувствительный слой, являющийся катодом. Под действием светового потока в катоде возникают свободные электроны, которые под действием электрического поля перемещаются к аноду, создавая внутри фотоэлемента ток (фототок).
Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом (рис. 1.49, б) представляют собой фотосопротивления (фоторезисторы), принцип действия которых состоит в том, что свободные электроны, образующиеся под действием светового потока в слое светочувствительного проводника 2, остаются (перераспределяются) в веществе, резко изменяя его сопротивление. Светочувствительный материал наносится на изоляционную подложку 3 и сверху покрыт защитной тонкой прозрачной лаковой пленкой 1. Наиболее часто применяются сернисто-кадмиевые (ФС-К), сернисто-свинцовые (ФС-А), сернисто-висмутовые (ФС-Б) и селенисто-кадмиевые (ФС-Д) фоторезисторы.
Фотоэлементы с вентильным фотоэффектом (рис. 1.50, в) работают на использовании явления, происходящего в переходе р – п под воздействием светового потока. Они состоят из металлического основания 5, выполняющего роль нижнего электрода, слоя полупроводника 4, запирающего слоя 3, полупрозрачного слоя металла 2 и контактного кольца 1.
На рис. 1.50, д показан фотоэлектрический преобразователь бровки нескошенного хлеба, применяемый в системах автовождения комбайнов. При движении комбайна бровка находится между источником инфракрасного излучения и приемником 2. Электрический сигнал на выходе приемника 2 пропорционален толщине слоя растений между излучателем и приемником. Выходной сигнал приемника 8, расположенного выше растений, не зависит от смещения бровки и используется для компенсации влияния общей освещенности в поле на сигнал приемника 2. В качестве приемников 2 и 3 используют фоторезисторы. Недостатком преобразователя является то, что при изменении плотности хлебостоя или его высоты формируются ложные сигналы.
На рис. 1.50, е показано трехпозиционное оптическое устройство обнаружения бровки нескошенного хлеба для автоматического направления самоходного зернового комбайна. Оно содержит источник света 3 и два фоторезистора 1 и 2, которые при движении комбайна расположены по обе стороны бровки.
В устройстве обнаружения рядка растений системы автовождения пропашного агрегата (рис. 1.50, ж) при отклонении агрегата в сторону поворачиваются жестко связанные с ним и между собой источники света 1, 2 и фотосопротивления 3, 4. При этом луч света между соответствующим источником и приемником перекрывается растениями рядка и на выходе усилителя 5 или 6 изменяется сигнал, вызывающий срабатывание исполнительного механизма 7 или 8. Такое устройство может быть использовано, когда растения обладают достаточной высотой, чтобы перекрывать луч между источником и приемником, расположенными над почвой.