Фотоэлектрические преобразователи
Принцип действия и основные типы преобразователей. Фотоэлектрический преобразователь представляет собой фотоэлектронный прибор (фотоэлемент), используемый в качестве измерительного преобразователя. Имеются три типа преобразователей: преобразователи с внешним фотоэффектом, с внутренним фотоэффектом и фотогальванические преобразователи. Наибольшее применение нашли преобразователи двух последних типов.
К преобразователям с внешним фотоэффектом относятся вакуумные и газонаполненные фотоэлементы и фотоэлектронные умножители. Вакуумные фотоэлементы состоят из вакуумированной стеклянной колбы, содержащей два электрода: анод и катод. При освещении фотокатода под влиянием фотонов света он эмитирует электроны. Если между анодом и фотокатодом приложено напряжение, то эти электроны образуют электрический ток; поскольку он вызван фотонами, его называют фототоком. Для фотоэмиссии электронов необходимо, чтобы энергия фотона Е = vh, гдеv – частота света; h – постоянная Планка, была больше работы выхода электронов Ф, характерной для данного материала фотокатода. Частота v гр = Ф/h называется красной границей фотоэффекта, а соответствующая ее длина волны l гр = с/vгр , где с – скорость света, – длинноволновым порогом фотоэффекта. Если l >l гр , то никакая интенсивность света не может вызвать фотоэффект.
Газонаполненный фотоэлемент аналогичен вакуумному, но имеет определенное газовое заполнение. Благодаря ионизации газа происходит усиление тока фотоэмиссии. Чувствительность газонаполненных фотоэлектрических преобразователей выше, чем у вакуумных.
Фотоэлектронный умножитель (ФЗУ) – это вакуумный фотоэлемент, снабженный системой электродов для усиления тока фотоэмиссии. Принципиальная схема ФЭУ показана на рис. 4.45. Свет падает на фотокатод ФК, который эмитирует электроны. Поток электронов фокусируется электрическим полем, создаваемым электродом Э, формируется диафрагмой Д и направляется на ускоряющий электрод- динод Э1 . Напряжение на диноде таково, чтобы энергии фотоэлектрона было достаточно для вторичной эмиссии электронов. Режим работы таков, что при вторичной эмиссии испускается больше электронов, чем падает на динод. Так происходит усиление потока электронов. Поток электронов, усиленный динодом Э1 , направляется на следующие диноды Э2 – Э5 , усиливается и собирается анодом А. Анодный ток ФЗУ довольно мал и требует дополнительного усиления. Для этого он преобразуется в напряжение с помощью сопротивления R н. Питание ФЭУ производится с помощью делителя напряжения R1 – R8 . Фотоэлектронные умножители имеют высокую чувствительность и используются для измерения очень малых световых потоков (до 10-5 лк).
Чувствительный элемент преобразователей с внутренним фотоэффектом (фоторезисторов) выполнен в виде пластинки, на которую нанесен слой полупроводникового фоточувствительного материала. В качестве фоточувствительного материала обычно используется сернистый кадмий, селенистый кадмий или сернистый свинец.
Электропроводность полупроводниковых материалов обусловлена возбуждением электронов в валентной зоне и примесных уровнях. При возбуждении электроны переходят в зону проводимости; в валентной зоне появляются дырки. При освещении возбуждение электронов увеличивается, что вызывает увеличение электропроводности. Красная граница фоторезисторов находится в инфракрасной области, например, для сернисто-свинцовых l гр = 2,7мкм. При небольших освещенностях преобразователя число возбужденных светом электронов пропорционально освещенности, его электрическая проводимость
(4.148)
где I ф? - фототок; U – напряжение, приложенное к преобразователю, также пропорционально освещенности.
При больших освещенностях пропорциональность нарушается. Типичная зависимость фототока от освещенности приведена на рис. 4.46, а. Чувствительность фоторезисторов определяется кратностью изменения их сопротивления. Для некоторых типов она достигает значения
(4.149)
где R т – темновое сопротивление, т. е. сопротивление неосвещенного преобразователя; R200 – сопротивление при Е = 200лк. ВАХ фоторезисторов линейна (рис. 4.46, б), т. е. их сопротивление не зависит от приложенного напряжения. Инерционность характеризуется постоянной времени t . У сернисто-кадмиевых преобразователей t лежит в пределах 1 – 140мс, у селенисто-кадмиевых – 0,5 – 20мс.
Фоторезисторы имеют высокую чувствительность. Однако их сопротивление зависит от температуры подобно сопротивлению термисторов. Для уменьшения температурной погрешности они включаются в смежные плечи моста.
Фотогальванические преобразователипредставляют собой фотоэлектронные приборы с p-n -переходом: фотодиоды и фототранзисторы. При освещении перехода создается дополнительная концентрация носителей в n -слое. Это приводит к усилению их диффузии к р-n-переходу и в самом переходе. У диода, подключенного к запирающему напряжению (рис. 4.47, а), под действием света возрастает обратный ток. Вольтамперная характеристика германиевого фотодиода приведена на рис. 4.47, б. При отсутствии освещения она не отличается от характеристики обычного диода, а при освещении смещается вверх пропорционально величине светового потока.
Наиболее распространены германиевый и кремниевые фотодиоды.
Их спектральные характеристики заходят в область инфракрасного излучения (для германиевых фотодиодов до l гр = 2мкм, для кремниевых до l гр = 1,2мкм).
Фотодиоды могут работать в фотодиодном и генераторном (вентильном) режимах. В фотодиодном режиме преобразователь подключают к запирающему напряжению (рис. 4.47, а). При увеличении его освещенности возрастает обратный ток, что приводит к увеличению напряжения U нна сопротивлении R н. Напряжение U ни чувствительность можно определить по ВАХ и нагрузочной прямой (рис. 4.47, б). Зависимость тока фотодиода от освещенности практически линейна. Внутреннее дифференциальное сопротивление фотодиода имеет величину порядка мегаомов, поэтому обычно они работают в режиме, близком к короткому замыканию.
Полный ток фотодиода I можно рассматривать как сумму
(4.150)
где I ф – фототок, определяемый световым потоком Ф; S – чувствительность.
Значение темнового тока I тсильно зависит от температуры. Фотодиоды – малоинерционные преобразователи. Их постоянная времени имеет порядок 10-7 – 10-8 с.
В генераторном режиме фотодиод включают по схеме, приведенной на рис. 4.48, а, и он сам является источником тока. Фототок, напряжение на нагрузке U ни чувствительность можно определить по ВАХ, приведенной на рис. 4.48, б.
Особенности применения фотоэлектрических преобразователей для измерения несветовых величин. Фотоэлектрические преобразователи, используемые для измерения несветовых величин, имеют ряд особенностей. Имеется возможность измерения без контакта с объектом измерения, отсутствует механическое воздействие на объект измерения. Преобразователи чувствительны к силе света и его цвету. Их недостатком является большая погрешность, которая в основном определяется усталостью, старением и зависимостью параметров преобразователя от температуры. Вследствие этих особенностей фотоэлектрические преобразователи нашли применение в основном в следующих случаях.
1. При измерениях, в которых преобразователь работает в релейном режиме. Примером может служить измерение частоты вращения вала, имеющего диск с отверстиями. Диск прерывает луч света, падающий на фотоэлектрический преобразователь. Измеряемая скорость преобразуется в частоту электрических импульсов.
2. В качестве прямого преобразователя в компенсационных измерительных приборах.
- При измерении несветовых величин, когда промежуточной величиной преобразования является величина световая, например, при измерении концентрации вещества в растворе, когда промежуточной величиной является изменение поглощения света раствором.
Для уменьшения погрешности измерения фотоэлектрические преобразователи включаются в дифференциальные или компенсационные измерительные цепи. Дифференциальная схема с двумя фотоэлектрическими преобразователями, служащая для измерения концентрации раствора, приведена на рис. 4.49. Первый луч света от источника 1 проходит через объект измерения 2 , например через кювету с исследуемым раствором, и попадает на фоторезистор 3 . Второй луч проходит через применяемый для настройки прибора оптический клин 4 и попадает на второй фоторезистор 5 , Фоторезисторы включены в мостовую цепь, Благодаря дифференциальной схеме компенсируются температурные и другие аддитивные погрешности. Однако вследствие разброса характеристик и параметров фотоэлектрических преобразователей каналы дифференциальной цепи несколько отличаются друг от друга, и компенсация получается неполной. Достоинством схемы является ее пригодность для измерения быстропеременных величин. Инерционность прибора обусловливается инерционностью фотоэлектрических преобразователей и выходного прибора.
Меньшую погрешность имеют дифференциальные схемы с одним фотоэлектрическим преобразователем (рис. 4.50, а). По этой схеме лучи света с одного и другого каналов попеременно освещают фотоэлектрический преобразователь 1. Коммутация осуществляется с помощью диска 2 , имеющего отверстия и вращающегося с постоянной скоростью при помощи синхронного двигателя СД Световой поток, падающий на фотоэлектрический преобразователь, модулирован и изменяется во времени, как показано на рис. 4.50, б. Переменная составляющая светового потока
(4.151)
где Фп – световой поток, прошедший через объект измерения 3 ; Фо – образцовый световой поток, прошедший через оптический клин 4.
Переменная составляющая светового потока преобразуется в переменное напряжение и усиливается. В рассматриваемом приборе оба канала дифференциальной измерительной цепи различаются меньше, чем в предыдущем, и лучше компенсируются аддитивные погрешности.
Вследствие модуляции светового луча уменьшается частотный диапазон прибора, увеличивается его инерционность. При таком способе измерения измеряемый частотный диапазон ограничивается частотой модуляции, причем верхняя частота диапазона должна быть на порядок меньше частоты модуляции. В качестве оптического модулятора обычно применяется электромеханическое устройство. Его использование усложняет прибор и уменьшает надежность.
Дифференциальные оптические приборы могут использоваться как приборы с ручной компенсацией. В этом случае оптический клин соединяется со стрелкой, перемещающейся по шкале прибора. При измерении оптический клин перемещается до тех пор, пока выходное напряжение (U выхна рис. 4.49) и переменная составляющая напряжения (U вых на рис 450, а) не будут равны нулю. При этом измерительный и образцовый световые потоки равны между собой, и по положению оптического клина можно судить о значении измеряемой величины.
В приборах с автоматической компенсацией напряжение, пропорциональное разности световых потоков D Ф, подается на реверсивный двигатель, который автоматически перемещает оптический клин в нужную сторону.