5.4. Оптические датчики

5.4.1. Определения и основные зависимости

Оптические датчики позволяют преобразовать в электрический сигнал информацию, доставляемую видимым светом или излучением соседних длин волн – инфракрасным и ультрафиолетовым.

Свет – это электромагнитные колебания, излучаемые при электронных переходах в атомах источника с одного энергетического уровня на другой.

Свет, с другой стороны, состоит из фотонов с энергией

, (5.34)

где - постоянная Планка;

- частота излучения.

Поглощение одного фотона веществом вызывается освобождением одного электрона-носителя заряда.

Освобождение носителей под действием светового излучения называется фотоэлектрическим эффектом. На этом эффекте, приводящем к изменению электрических свойств материала, основано действие оптических датчиков.

Величинами, относящимся к световому излучению, являются следующие энергетические величины:

• энергия излучения Q, измеряется в джоулях – [Дж];

• поток излучения Ф – мощность излучения: , измеряется в ваттах – [Вт];

• сила излучения I – поток излучения, испускаемый в данном направлении в единичном телесном угле : , измеряется в [Вт/ср];

• энергетическая яркость L – сила излучения с элемента поверхности: , измеряется в [Вт/ср/м²].

Свет как носитель информации

Для оптического излучения так же, как и электрического тока, можно указать две основные области применения:

• энергетическое применение, как освещение, инфракрасный нагрев;

• информационное применение, когда свет служит носителем информации, которую он должен передавать, переносить.

Во втором случае измеряемая величина изменяет один из физических параметров излучения, воздействуя на него непосредственно или косвенно.

Физический параметр излучения, на который оказано воздействие, является вторичной измеряемой величиной; к ней и чувствителен оптический датчик.

В таблице 5.3 перечислены возможные изменения оптического излучения под воздействием измеряемой величины.

Таблица 5.3. Изменения оптического излучения под воздействием измеряемой величины.

Параметр излучения	Характер изменения	Первичная измеряемая величина
Направление распространения	Отклонение	Угловые координаты, деформация
Поток	Модуляция прерывания	Скорость вращения диска, число объектов
Частота	Изменение частоты (эффект Доплера)	Скорость перемещения
Поляризация	Вращение плоскости поляризации	Давление, механическое напряжение

Входной величиной оптического датчика обычно является электрический ток, поэтому ток и его вариации в функции различных параметров чаще всего служат для характеристики свойств датчика.

Чувствительность датчика.

Поток излучения оптического сигнала, воспринимаемого датчиком, приводит к возникновению фототока , который вместе с темновым током(постоянно изменяющимся на выходе фоточувствительного устройства, помещенного в темноту) составляет суммарный ток

при . (5.35)

Чувствительность оптического датчика определяется как соотношение (аналогичное (5.2))

, . (5.36)

Для линейного датчика статическая чувствительность не зависит от мощности излучения Ф.

В этом случае имеем

. (5.37)