Оптоэлектронные датчики - Козлов В.Л.
Скачать (прямая ссылка):
При измерении низких давлений или когда для повышения динамического диапазона применяются толстые мембраны, для получения заданных значений разрешения и точности величина перемещения диафрагмы может оказаться недостаточной. В дополнение к этому рабочие характеристики большинства пьезорезистивных и некоторых емкостных датчиков довольно сильно зависят от температуры, что требует использования дополнительных цепей температурной компенсации. Оптические методы измерений обладают рядом преимуществ над остальными способами детектирования давления: простотой, низкой температурной чувствительностью, высокой разрешающей способностью и высокой точностью. Особенно перспективными являются оптоэлектронные датчики, реализованные на основе явления интерференции света. Такие преобразователи используют принцип измерения малых перемещений на основе интерферометра Фабри-Перо. На рис. 39 показана упрощенная схема одного из таких датчиков [10].
Фотодиоды кристалл в состав датчика входят
детектора
\ следующие компоненты: пас-
^ sc J—8 сивный кристалл оптического
преобразователя давления с диафрагмой, вытравленной в кремниевой подложке; светоизлучающий диод (СИД) и кристалл детектора. Детектор состоит из трех p-n фотодиодов, к двум из которых пристроены оптические фильтры Фабри-Перо, имеющие небольшую разницу по толщине. Эти фильтры представляют
сил
стекло
встроенные фильтры v Фабри-Перо
интерферометр Фабри-Перо
¦Г У / S—/"/ S 0/ /¦ A'VM /'У ? / J Г
Ч\\Ч\\Ч\ЧЧ*\.\\ \\\>/\\\\\\.\
.У SSSSSSSS/SfSSSSSSSlifSS/'S/*
диафрагма /
Рис. 39. Схема оптоэлектронного датчика давления, использующего принцип интерференции света
собой кремниевые зеркала с отражением от передней поверхности, покрытые слоем из SiO2, на поверхность которых нанесен тонкий слой А1. Оптический преобразователь похож на емкостной датчик давления за исключением того, что в нем конденсатор заменен на интерферометр Фабри-Перо, используемый для измерения отклонения диафрагмы. Диафрагма, сформированная методом травления в подложке из моно кристаллического кремния, покрыта тонким слоем металла. На нижнюю сторону стеклянной пластины также нанесено металлическое покрытие.
78
Между стеклянной пластиной и кремниевой подложкой существует зазор шириной w, получаемый при помощи двух прокладок. Два слоя металла формируют интерферометр Фабри-Перо с переменным воздушным зазором w, в состав которого входят: подвижное зеркало, расположенное на мембране, меняющее свое положение при изменении давления, и параллельное ему стационарное полупрозрачное зеркало на стеклянной пластине. Поскольку величина w связана с внешним давлением линейной зависимостью, длина волны отраженного излучения меняется при изменении давления. Принцип действия датчика основан на измерении модуляции длины волны, получаемой от сложения падающих и отраженных излучений. Частота периодического интерференционного сигнала определяется шириной рабочей полости интерферометра w, а его период равен 1/2w.
Детектор работает как демодулятор, электрический выходной сигнал которого пропорционален приложенному давлению. Он является оптическим компаратором, сравнивающим высоту рабочей камеры датчика давления и толщину виртуальной камеры, сформированной за счет разности высот двух фильтров Фабри-Перо. Когда размеры этих камер равны, ток фотодетектора будет максимальным. При изменении давления происходит косинусная модуляция фототока с периодом, соответствующим половине средней длины волны источника излучения. Фотодиод без фильтра используется в качестве эталонного диода, отслеживающего полную интенсивность света, поступающего на детектор. Его выходное напряжение применяется при последующей обработке сигналов для получения нормированных результатов измерений. Поскольку рассматриваемый датчик давления является нелинейным, он обычно встраивается в микропроцессорную систему, на которую, в частности, возложены функции его линеаризации.
10.2. Оптический гигрометр
Большинство датчиков влажности обладают не очень хорошей воспроизводимостью. Например, величина их гистерезиса составляет от 0.5...1% . Поэтому при помощи них нельзя проводить прецизионные измерения. Для этих целей требуется применение косвенных методов определения влажности. Самым эффективным из них является вычисление абсолютной и относительной влажности по температуре точки росы. Точка росы определяется по температуре, при которой жидкая и газовая фазы воды находятся в равновесии. Каждой температуре точки росы соответствует только одно значение давления насыщенного пара, Поэтому, измеряя температуру точки росы при известном значении давления, все-
79
гда можно найти абсолютную влажность. Оптический способ определения влажности является оптимальным методом, которому соответствует минимальный гистерезис. Стоимость оптического гигрометра намного выше, чем у других датчиков, но он позволяет отслеживать низкие уровни содержания воды в продукции, что приводит к повышению ее качества, делает эту цену вполне оправданной. Основным элементом оптического гигрометра является зеркало, температура поверхности которого точно регулируется. Температура зеркала настраивается на температуру точки росы. Исследуемый воздух при помощи насоса прогоняется над поверхностью зеркала. Если температура зеркала пересекает точку росы, на его поверхности конденсируются капли воды. При этом отражающие свойства зеркала изменяются, что детектируется соответствующим фотодетектором. На рис. 40. показана упрошенная схема гигрометра с охлаждаемым зеркалом [10]. Он состоит из термоэлектрического насоса, работающего на эффекте Пельтье. Этот насос отводит тепло от поверхности тонкого зеркала, внутрь которого встроен детектор температуры, показывающий температуру зеркала.
