Оптоэлектронные датчики - Козлов В.Л.
Скачать (прямая ссылка):
Предположим, что луч попадает на поверхность ПЧД в зону, расположенную на расстоянии х от электрода А. Сопротивление между электродом и точкой падения луча соответственно равно Rx. Фотоэлектрический ток J0 генерируемый при попадании луча на поверхность детектора, пропорционален интенсивности излучения. Ток на выходах А и В пропорционален расстояниям между точкой падения луча и электродами:
J _ J RD - Rx J _ J R (75)
A 0 d ’ JB 0 D • V
RD RD
Поскольку зависимость сопротивления от расстояний является тактически линейной, это выражение можно переписать в следующем виде:
т D - x т т x
_ D 5 _ D
Для исключения зависимости выходных токов от фотоэлектрического тока (а, следовательно, и от интенсивности света) найдем отношение токов:
P _ — _ D -1, или x _ D . (77)
JBx P +1
На рис. 7.35 показана геометрическая модель описываемой измерительной системы. Решай задачу с двумя подобными треугольниками и используя (7.12), получаем выражение
L _ fD(P +1) _ к(P +1). (78)
Формула (7.13) представляет собой зависимость между искомым расстоянием и отношением выходных токов, где f - фокусное расстояние принимающей линзы, а к называется геометрической константой модуля. Очевидно, что эта зависимость является линейной.
На этом же принципе работы реализован промышленный оптический датчик перемещений (рис. 27), в котором ПЧД используется для измерения небольших перемещений на расстоянии нескольких сантиметров. Эти датчики эффективно работают в реальном масштабе времени и применяются при измерениях: - высоты в таких устройствах, как системы контроля; качества печатных плат, уровня жидких и твердых сред, и т.д.;
59
эксцентриситета вращающегося объекта; толщины; перемещений, а также для обнаружения присутствия в рабочей зоне определенных объектов.
Основным достоинством датчиков на основе ПЧД является то, что их точность может превышать точность самого ПЧД. Позиционночувствительные детекторы выпускаются двух типов: одно и двухмерные. Спектральный диапазон ПЧД составляет 320...1100 нм, следовательно, они работают в УФ, видимом и ближнем ИК областях спектра. Чувствительная поверхность небольших одномерных ПЧД лежит в пределах 1х2... 1х12 мм, в то время как больших двухмерных ПЧД ее сторона равна 4...27 мм.
ЛЕКЦИЯ 8
8.1. Тепловые приемники излучения
Для тепловых приемников излучения первичным процессом является преобразование энергии поглощенного света в энергию теплового возбуждения решетки, которое вызывает повышение температуры приемника, приводящее к изменению его электрических свойств. К электрическим величинам, тепловые вариации которых могут использоваться для измерения потока излучения, относятся [12]:
а) сопротивление металлического или полупроводникового элемента (болометры);
б) термо-э.д.с., т. е. возникновение э.д.с. в электрической цепи, состоящей из двух проводников с различными свойствами (эффект Зеебека);
в) спонтанная электрическая поляризация пироэлектриков.
Поглощению излучения содействует чернение приемной поверхности
соответствующим покрытием (например, платиновой чернью), излуча-тельная способность которого в близка к 1. Поглощение для такого покрытия остается достаточно большим в длинноволновой спектральной области (перекрывается несколько порядков длин волн — обычно весь инфракрасный спектр, X составляет от 0,8 мкм до 1 мм). Эти характерные свойства тепловых приемников излучения определяют специфическую область их применения.
приемная линза
Рис. 27. Оптический датчик на основе ПЧД
60
Соотношение между нагревом приемника и падающим на него потоком излучения. Общий баланс переноса энергии на уровне приемника излучения описывается уравнением
где К - теплоемкость приемника, Gq—коэффициент теплопередачи между приемником с температурой Т и окружающей средой с температурой Та, Ф - поток излучения, часть которого q поглощается приемником.
Это уравнение позволяет рассчитать нагрев ДТ= (Т - Ta) приемника. В случае постоянного потока Ф=Ф0 решение уравнения переноса энергии дает
где Tt - тепловая постоянная, определяемая выражением Tt=K/GQ .
В случае модулированного потока Ф=Ф0+Ф1соsюt нагрев датчика происходит по закону
где y=arctg®Tt. Исключая переходный режим, ход которого определяется тепловым запаздыванием Tt, .и постоянный нагрев, обусловленный потоком Ф0, получим установившийся синусоидальный режим нагрева, модуляция которого будет происходить с амплитудой
где граничная круговая частота, определяемая тепловым запаздыванием, равна щ =1/Tt=GQ/K .
Из предыдущих соотношений следует, чтобы получить максимальный нагрев, следует уменьшить Gq, сведя к минимуму потери за счет конвекции и теплопроводности, для чего нужно поместить приемник в вакуумированный корпус и термоизолировать его держатель. Когда первостепенное значение имеет быстродействие, коэффициент теплопередачи увеличивают, помещая приемник в воздухе и укрепляя его на металлической подожке, которая играет роль радиатора [2].
Термоэлементы относятся к классу пассивных ИК детекторов. Их принцип действия аналогичен принципу термопар. Фактически, термоэлемент представляет собой несколько последовательно соединенных
