2. Фоторезисторы

Рис.10.10. Чувствительность фоторезистора.

У некоторых материалов (например, CdS, CdSe, PbS, PbSe) электрическое сопротивление изменяется под действием света из-за образования электронно-дырочных пар. Возникающие при этом свободные но­сители заряда вызывают резкое снижение сопротив­ления. На рис. 10.10 показана зависимость сопротив­ления такого датчика при различной освещенности (измеренной в люксах). В зависимости от силы света оно изменяется от 100 до 1 кОм. Спектральная чув­ствительность (рис. 10.11) определяется выбором материала. Так CdS обладает максимальной чувствительностью в зеленой области спектра и поэтому осо­бенно пригоден для применения в измерителях освещенности. В противоположность этому максимум спектральной чувствительности CdSe находится в красной области, а у фоторезисторов из PbS/PbSe — даже в ИК-области.

Конструкция промышленного фоторезистора по­казана на рис. 10.11. Он состоит из тонкой пленки светочувствительного материала (CdSe/CdS) в фор­ме меандра. Этот фотопроводящий слой, расположен­ный на керамической основе с соединительными про­водами, для защиты от влаги и грязи покрыт слоем прозрачного полимера. На рис. 10.11 показаны также наиболее распространенные конструктивные формы, обеспечивающие разнообразие возможностей приме­нения фоторезисторов. Некоторые области применения датчиков на основе фоторезисторов проиллюстри­рованы на рис. 10.12.

Рис. 10.11. Распределение спектральной чувствительности различ­ных фоторезисторов.

Рис. 10.12. Примеры применения фоторезисторов.

3. Тепловые приемники излучения

Тепловыми приемниками излучения называют де­текторы, в которых под действием облучения светом происходит нагрев, вызывающий возникновение в них вторичных процессов (изменение сопротивления, воз­никновение термических напряжений). Тепловые при­емники излучения применяются чаще всего для ИК-области, так как для видимого и ультрафиолетового (УФ) диапазонов спектра имеются более чувствительные датчики. Су­щественным достоинством тепловых приемников из­лучения является независимость их чувствительности от спектрального состава излучения, т.е. их чувстви­тельность остается почти постоянной от УФ- до ИК-диапазона. В табл. 10.1 приведены некоторые типы таких детекторов.

Таблица 10.1

№	Тип датчика	Физический эффект	Выходной параметр
	Болометр	Изменение сопротивления металла или полупроводника	Сопротивление
	Термобатарея	Миниатюризованное исполнение термопары. Рабочий спай подвергается действию излучения, в то время как опорный спай экранирован.	Напряжение
	Пироэлектрический детектор	Изменение поляризации некоторых материалов. Реагирует только на изменение излучения	Переменное напряжение

3. Оптические датчики положения

Рис. 10.13. Схема устройства для регистрации вибрации механизма.

С помощью датчиков положения можно бесконтактным способом дистанционно регистрировать процессы перемещения и управлять ими. Пример применения такого датчика показан на рис. 10.13.

Например, нужно зарегистрировать вибрацию какого-либо механизма в процессе работы при различных нагрузках. Для этого на нем в характерном месте устанавливают светодиод (излучатель). Излучение этого светодиода с помощью отображающей оп­тики (например, линзы) фокусируется на датчике по­ложения.

В принципе такой датчик состоит из удлиненного pin-диода с двумя выходными электродами с одной стороны и одним электродом с противоположной сто­роны (рис. 10.14).

При неработающем механизме отображающая оп­тика юстируется таким образом, чтобы на обе части pin-диода попадало излучение одинаковой интенсив­ности, т.е. I_А = I_В. Как только светодиод начинает перемешаться из-за вибраций механизма, интенсив­ность перераспределяется и нарушается равенство то­ков I_А и I_В. В итоге разность ∆I = |I_А – I_В| оказы­вается мерой уровня вибрации механизма, которую можно оценивать при разных режимах работы.

Важнейшие характеристики датчиков положения графически представлены на рис. 10.16. Линейность измерения положения (рис. 10.16,б) означает откло­нение выходного сигнала от номинального значения (в процентах) при линейном смешении по всей длине датчика (в данном случае 30 мм). Это важнейшая характеристика, и для датчика она со­блюдается в пределах погрешности ±1%.

Рис. 10.14. Структура датчика положения: подложка из высоко­чистого кремния является i-областью с собственной проводимостью.

Рис. 10.15. Конструктивное исполнение датчика положения.

а) б) в) г) 

Рис. 10.16. Спектральная чувствительность (а), линейность измерения положения (б), температурная зависимость спектральной чувствительности (в) и эквивалентная схема (г) датчика положения.

Р — генератор фототока; D — идеальный диод; С_j — емкость рn-перехода; R_sh — сопротивление шунта; R_ie — поверхностное сопротивление,

Рис. 10.17. Вычислительная схема измерительного блока к датчику положения.

R1 — зависит от выходного сигнала, U5 — аналоговый делитель.

При обработке сигналов датчика (I₁/I₂), как по­казано на рис. 10.17, формируется отношение раз­ности отдельных сигналов I₁ и I₂ к их сумме. До­стоинство этого метода заключается в том, что при этом исключается влия­ние на точность измере­ния таких факторов, как изменение мощности из­лучения светодиода или изменение чувствитель­ности детектора. Во из­бежание искажения ре­зультатов измерений из-за дрейфа нуля или дру­гих подобных причин в качестве операционных усилителей 1...4 необхо­димо использовать ин­тегральные схемы, отве­чающие высоким требо­ваниям к качеству обра­ботки сигнала.

Типичными примера­ми применения оптиче­ских датчиков положе­ния являются измерения протяженных объектов (например, туннелей, зданий, конструкций) с помощью луча лазера, на­правляемого на датчик. Отклонение луча от цен­тра датчика вследствие перемещений или вибраций может быть измерено с большой точностью.

Двухкоординатное измерение положения добав­ляет еще одну степень свободы при определении по по­ложения или размещении (позиционировании) объекта.

Рис. 10.18. Конструктивное ис­полнение двухкоординатного датчика положения.

Датчик этого типа состоит из активной поверхности в форме квадрата, на каждой стороне которого имеется по электроду (рис. 10.18.). Противоположные электроды предназначены соответственно для о пределения смещений по осям X и Y, как показано на рис. 10.19. Сигналы Y₁ и Y₂ с помощью предусилителей согласуются с вычислительной схемой, форми­рующей отношение разности сигналов к их сумме. Процесс вычисления аналогичен осуществляемому в линейных датчиках положения. Благодаря дополни­тельной степени свободы (по оси X) осуществляется двухкоординатное измерение положения.

Рис. 10.19. Схема измерительного блока (вычислительная схема) двухкоординатного датчика положения.

Рис 10.20. Типичная линейность измерения положения.

Линейность ХУ-позиционирования показана на рис. 10.20. Она представляет собой меру точности определения положения. Область применения датчиков этого типа в принципе та же, что и у линейных.