Оптоэлектронные датчики - Козлов В.Л.
Скачать (прямая ссылка):
С выхода интегратора информационный сигнал, характеризующий разность температур измеряемого объекта и окружающей среды, поступает на вход АЦП, где происходит преобразование аналогового значения сигнала в цифровой код. Индикация вычисленного значения сигнала осуществляется с помощью жидкокристаллического индикатора. Питание прибора осуществляется от аккумуляторных батарей ±5 В.
Технические характеристики бесконтактного термометра:
диапазон измеряемых температур -30....+ 1000 оС
разрешение при измерении температуры:
диапазон от -30...+ 200 оС 0.1 оС
диапазон от +200.. .+1000 оС 1,0 оС
погрешность измерения : ±1,0 оС ..±1 % Тизм
диапазон регулировки коэффициента излучения 0,2__1,0
время измерений 0,5 с
спектральный диапазон приемника, 2.5...10 мкм
диапазон рабочих расстояний 0,01.3,0 м
видоискатель лазерный
52
53
ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ ЛЕКЦИЯ 7
Оптические датчики позволяют преобразовать в электрические сигналы информацию, доставляемую видимым светом или излучением соседних длин волн - инфракрасным и ультрафиолетовым.
Свет одновременно имеет и волновую, и корпускулярную природу. В волновом аспекте он представляет собой электромагнитные колебания, излучаемые при электронных переходах в атомах источника с одного энергетического уровня на другой. Эти волны распространяются в вакууме со скоростью с=299792458 м/с, а в веществе - с меньшей скоростью и = c/n, где п - показатель преломления среды. Частота v и длина волны X связаны соотношением X = и / v, т. е. в вакууме X = c / v. Световая монохроматическая волна создается взаимно ортогональными и синусоидально изменяющимися во времени и пространстве электрическим и магнитным полями, перпендикулярными направлению ее распространения. Различные атомы источника (исключая случай лазера) излучают волны, фазы и направления полей которых независимы и для каждого атома случайным образом меняются во времени. Использование поляризатора позволяет получить линейно поляризованное излучение, для которого ориентация в пространстве электрического и магнитного полей постоянна [8].
В корпускулярном аспекте свет рассматривается, когда речь идет о взаимодействии его с веществом. Свет, как и все другие виды электромагнитного излучения, представляется состоящим из частиц - фотонов, каждый из которых несет элементарную энергию ЕФ, определяемую
только частотой излучения v: ЕФ = hv, где h - постоянная Планка, равная 6,626-10-34 Дж-с. В веществе электроны связаны с атомами, и для того, чтобы стать свободными, они должны получить энергию Et, равную энергии их связи. Поглощение одного фотона вызывает освобождение одного электрона при условии ЕФ = Еl, т. е. v = Et /h, или X < hc/ Et. Максимальная длина волны, способная вызвать освобождение электрона в веществе, называется пороговой длиной волны Xs:
Xs = hc / Et и Xs (мкм) = 1,237/ Et (эВ). (74)
Действие оптических датчиков основано фотоэлектрическом эффекте, заключающемся в освобождении носителей заряда под действием светового излучения, приводящем к изменению электрических свойств материала. Интенсивность эффекта в непрерывном режиме пропорциональна числу освобожденных за секунду носителей, однако даже для
54
X < X, каждый фотон падающего излучения не обязательно освобождает носитель; часть фотонов отражается от поверхности материала, а энергия другой части фотонов может превращаться в энергию теплового возбуждения.
Для непрозрачного материала с коэффициентом отражения R, при воздействии потока монохроматического излучения Ф (Вт), число п падающих в секунду фотонов равно nt = Ф / hv = XФ /hc, число па поглощенных фотонов составляет na = (1 — R) = (1 — R)XФ/hc, а число G освобожденных в секунду электронов или дырок определяется выражением G = nna = n(1 — R)Ф/hc, где ц - квантовый выход, т. е. среднее число электронов или дырок, освобожденных на каждый поглощенный фотон.
В зависимости от явлений, происходящих в освещаемом объекте, фотоэлектрический эффект проявляется в различных формах, таких как фотопроводимость, фотогальванический эффект, фотоэлектромагнитный эффект и др. Физические основы работы различных типов современных приемников излучения, таких как фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, КМОП фотоприемники, ПЗС структуры и др., работающих на основе упомянутых фотоэлектрических эффектов, а также вопросы фотометрии достаточно подробно описаны в курсе лекций В.А.Фираго “Приемники излучения” [9]. Поэтому в данном курсе лекций не будет рассматриваться физика работы приемников излучения, а будут рассматриваться конкретные типы оптических датчиков для решения различных задач, а также будут приведены дополнительные сведения о некоторых датчиках ИК излучения и рассмотрены методы повышения точности регистрации оптического сигнала.
На рис.23 представлены спектральные рабочие диапазоны основных одноэлементных ИК приемников излучения [9] и показаны предельно достижимые значения обнаружительной способности в режиме ограничения фоном. В ближней ИК области спектра наиболее распространенными являются фоторезисторы на основе PbS, германиевые фотодиоды и фотодиоды на тройных соединениях InGaAs. Поскольку в современных оптоволоконных линиях связи используют излучение с длиной волны
