Фотоэлектрические преобразователи.

Фотоэлектрическими называются такие преобразователи, у которых выходной сигнал изменяется в зависимости от светового потока, падающего на преобразователь. Явление фотоэффекта было открыто в 1888 г. А.Г.Столетовым.

Фотодиод – диод в корпусе, в котором имеется окошко, позволяющее свету попадать на полупроводниковое соединение. Если такой диод включить в цепь, то ток, протекающий через него, будет пропорционален интенсивности света, падающего на полупроводниковое соединение. Выходной сигнал снимается в виде разности потенциалов на резисторе.

Схематическое изображение фотоэлемента с внешним (а) и внутренним (б) фотоэффектом; К — фотокатод; А — анод; Ф — световой поток; n и p — области полупроводника с донорной и акцепторной примесями; Е — источник постоянного тока, служащий для создания в пространстве между К и А электрического поля, ускоряющего фотоэлектроны; Rн — нагрузка; пунктирной линией обозначен р — n-переход.

Фотодиод представляет собой полупроводниковый кристалл обычно с электронно-дырочным переходом (р–n-переходом), снабженный 2 металлическими выводами (один от р-, другой от n-области) и вмонтированный в металлический или пластмассовый защитный корпус. Материалами, из которых выполняют Фотодиоды, служат Ge, Si, GaAs, HgCdTe и др.

Различают 2 режима работы фотодиода: фотодиодный, когда во внешней цепи Фотодиода содержится источник постоянного тока, создающий на р–n-переходе обратное смещение, и вентильный, когда такой источник отсутствует. В фотодиодном режиме Фотодиод, как и фоторезистор, используют для управления электрическим током в цепи Фотодиода в соответствии с изменением интенсивности падающего излучения. Возникающие под действием излучения неосновные носители диффундируют через р–n-переход и ослабляют электрическое поле последнего. Фототок в Фотодиоде в широких пределах линейно зависит от интенсивности падающего излучения и практически не зависит от напряжения смещения. В вентильном режиме Фотодиод, как и полупроводниковый фотоэлемент, используют в качестве генератора фотоэдс.

Основные параметры Фотодиода:

1) порог чувствительности (величина минимального сигнала, регистрируемого Фотодиодом, отнесённая к единице полосы рабочих частот), достигает 10-14 вт/гц1/2;

2) уровень шумов – не свыше 10^-9 А;

3) область спектральной чувствительности лежит в пределах 0,3–15 мкм;

4) спектральная чувствительность (отношение фототока к потоку падающего монохроматического излучения с известной длиной волны) составляет 0,5–1 а/вт;

5) инерционность (время установления фототока) порядка 10-7–10-8 сек.

В лавинном Фотодиоде, представляющем собой разновидность Фотодиодов с р–n-cтруктурой, для увеличения чувствительности используют т. н. лавинное умножение тока в р–n-переходе, основанное на ударной ионизации атомов в области перехода фотоэлектронами. При этом коэффициент лавинного умножения составляет 102–104. Существуют также Фотодиоды с р–i–n-cтруктурой, близкие по своим характеристикам к Фотодиоды с р–n-cтруктурой; по сравнению с последними они обладают значительно меньшей инерционностью (до 10-10 сек).

Фотодиоды находят применение в устройствах автоматики, лазерной техники, вычислительной техники, измерительной техники и т.п.

Фотоэлектрические преобразователи применяются в системах автоматического контроля и регулирования: измерения температуры тела, качества поверхности, скорости вращения, концентрации растворов и т.д.

Оптические датчики М18-С цилиндрического типа.

Датчики диффузионного типа (отражающие от объекта), которые излучают и принимают отраженный от объекта свет, находящегося в зоне действия датчика. Как только улавливается определенная световая энергия, на выходе устанавливается соответствующий логический уровень. Величина дистанции от фотодатчика до объекта зависит от размеров улавливаемого предмета, от его цвета, шероховатости и т.д. Конструктивно излучатель и приемник выполнены в одном корпусе.

Ионизационные преобразователи. Принцип действия ионизационных преобразователей состоит в том, что измеряемая неэлектрическая величина связана с током электронной или ионной проводимости газовой среды, а также собственно излучение.

Радиоактивный источник испускает излучение, попадающее в приёмник, выходной ток которого пропорционален характеристикам этого излучения, которые функционально связаны с измеряемыми параметрами объекта.

В качестве ионизирующих агентов применяют α -, β -частицы, γ - или рентгеновские лучи.

α -частица – положительно заряженная частица, образованная 2 протонами и 2 нейтронами. Идентична ядру атома гелия 4 (). Эта формула означает, что частица состоит из 2-х положительно заряженных протонов и двух нейтронов. Всего – 4. Образуется при альфа-распаде ядер.

β -частица – заряженная частица, испускаемая в результате бета-распада. Представляет собой поток отрицательно заряженных частиц – электронов. Образуется при бета-распаде ядер и называется бета-лучи или бета-излучение

γ- излучение — вид электромагнитного излучения с длиной волны менее 2·10⁻¹⁰ м.

Рентге́новское излуче́ние — электромагнитные волны, энергия которых лежит на шкале электромагнитных волн между ультрафиолетовым и гамма-излучением. Это соответствует длинам волн от 10⁻² до 10³ Å (от 10⁻¹² до 10⁻⁷ м).

Схема опыта по разделе­нию радиоактивных лучей магнит­ным полем.

1 – радиоактивное вещество; 2 – свинцовая коробочка с тонким каналом, для радиоактивного вещества; 4 – γ-лучи, не отклонённые магнитным полем; 4 – α-лучи, слабо отклонённые магнитным полем; 5 – β-лучи, сильно отклонённые магнитным полем; 6 – область, в которой создано магнитное поле.

Толщина

Схема измерительного устройства с радиоактивными изотопами для контроля толщины ленты

Схема бесконтактного контроля толщины металлической полосы в процессе проката, основанная на методе поглощения излучения, изображена на рис. Контейнер 2 с источником излучения помещен под прокатываемой полосой металла 1, а ионизационная камера 7 — над этой полосой на одной оси с источником излучения. В зависимости от изменения толщины полосы металл поглощает большее или меньшее число частиц, что вызывает изменение электрического сигнала, вырабатываемого камерой. После усиления в усилителе 6 сигнал передается на серводвигатель 4 и показывающий прибор 5. Серводвигатель, изменяя положение валков 3, регулирует толщину прокатываемой полосы.

Пьезоэлектрические преобразователи.

Принцип действия основан на использовании прямого пьезоэлектрического эффекта, возникающего в кристаллических диэлектриках, называемых пьезоэлектриками. Этот эффект заключается в появлении электрического заряда на поверхности кристалла под действием механической нагрузки. При снятии нагрузки диэлектрик приходит в исходное состояние.

В качестве пьезоэлектриков применяются кварц, титанат бария, и др. Наибольшее применение для измерений нашёл кварц, у которого пьезоэлектрические свойства сочетаются с высокой механической прочностью. В кристаллах кварца различают три главных оси: электрическую X – X, механическую Y – Y, оптическую ось Z – Z.

Оси симметрии кристалла кварца

Вырежем из кристалла кварца, имеющего 6 боковых граней, такой параллелепипед, чтобы, чтобы его грани были параллельны электрической, механической и оптической осям.

a – ребро параллельное оси X

b – ребро параллельное оси Y

c – ребро параллельное оси Z

Величина заряда на гранях bc перпендикулярных электрической оси X и под действием силы F_X (продольный пьезоэффект) равна:

где k – пьезоэлектрический модуль кварца.

Величина заряда на гранях bc параллельных механической оси Y под действием силы F_Y, направленной вдоль этой оси (поперечный пьезоэффект) равна:

При действии силы F_Z электризации кварца не происходит. При изменении направления действия силы F_X заряды имеют противоположный знак.

Пьезоэлектрические преобразователи применяются только для измерения динамических величин: быстро меняющихся усилий, давлений, вибраций, шероховатости поверхности.