Оптоэлектронные датчики - Козлов В.Л.
Скачать (прямая ссылка):
Таблица 1
Физические эффекты, используемые для построения активных датчиков
Измеряемая величина Используемый эффект Выходная величина
Температура Термоэлектрический эффект Напряжение
Поток оптического излучения Пироэлектрический эффект Внешний фотоэффект Внутренний фотоэффект в полупроводнике с р-n переходом Фотоэлектромагнитный эффект Заряд Ток Напряжение Напряжение
Сила, давление, ускорение Пьезоэлектрический эффект Заряд
Скорость Электромагнитная индукция Напряжение
Перемещение Эффект Холла Напряжение
Датчик, реализующий термоэлектрический эффект, - термопара - содержит два проводника М1 и М2 различной химической природы (рис. 4,а). Их спаи, находящиеся при температурах Т1 и Т2 , являются местом возникновения термо-э.д.с. е(Т1,Т2). Термо-э.д.с. е пропорциональна измеряемой температуре Т1 , когда температура Т2 известна (соответствующий нерабочий, спай термопары помещен в среду с постоянной температурой, равной, например, 0 С).
В датчике с пироэлектрическим эффектом определенные кристаллы, называемые пироэлектриками (например, триглицинсульфата), испытывают спонтанную электрическую поляризацию, зависящую от их температуры, и на двух противолежащих поверхностях появляются электрические заряды противоположных знаков, пропорциональные этой поляризации (рис. 4, б). Поглощенный кристаллом поток излучения приводит к росту его температуры и к соответствующему изменению поляризации, которое измеряется по изменению напряжения на зажимах конденсатора.
В датчике с пьезоэлектрическим эффектом изменение механического напряжения в кристалле пьезоэлектрика, например, кварца, приводит к деформации, вызывающей появление на противолежащих поверхностях кристалла одинаковых по величине электрических зарядов противоположного знака (рис. 4,в). Таким образом, измерение силы или приводимых к ней величин (давление, ускорение) осуществляется измерением напряжения между зажимами пьезоэлектрика.
8
Ti
Mj
a)
б)
1
Ф
д)
U ^ F
J
f e ^ Q
Рис.4. Примеры использования физических явлений для построения активных датчиков. Эффекты: а - термоэлектрический; б - пироэлектрический; в - пьеэоэлектрический; г -электромагнитной индукции; д — фотоэлектрический; е — Холла.
В датчике, использующем явление электромагнитной индукции, при перемещении проводника в постоянном электромагнитном поле возникает э.д.с., пропорциональная магнитному потоку и, следовательно, скорости его перемещения (рис. 4,г). Аналогичным образом, когда замкнутый контур подвергается воздействию переменного магнитного потока при перемещении в поле самого контура или источника поля (например магнита), индуцированная в контуре э.д.с., равна по величине (и противоположна по знаку) скорости изменения магнитного потока. Таким образом, измерение э.д.с. электромагнитной индукции позволяет определить скорость перемещения объекта, механически связанного с подвижным элементом подобного датчика.
В датчиках используются и фотоэлектрические эффекты, различные по своим проявлениям, но объединенные общей причиной их воз-
9
никновения - освобождением электрических зарядов в веществе под действием светового или, в более общем смысле, электромагнитного излучения, длина волны которого меньше некоторого порогового значения, являющегося характеристикой чувствительного материала (рис. 4,д).
Вакуумный фотоэлемент с внешним фотоэффектом. Освобожденные в нем фотоэлектроны покидают освещенный фотокатод и образуют пропорциональный освещенности ток, текущий к аноду под действием приложенного электрического поля.
Полупроводниковый фотодиод с внутренним фотоэффектом. Электроны и дырки, освобожденные в окрестностях освещенного р-n-перехода в полупроводнике, перемещаясь под действием электрического поля, вызывают изменение напряжения на границах полупроводника.
Датчик на основе фотоэлектромагнитного эффекта. Приложение магнитного, поля, перпендикулярного падающему излучению, вызывает в освещенном полупроводнике появление электрического напряжения в направлении по нормали к полю и падающему излучению.
Фотоэлектрические эффекты являются основой фотометрии и обеспечивают передачу информации, носителем которой является свет.
Датчик на основе эффекта Холла. При пропускании электрического тока через образец (пластину) полупроводника, находящийся в однородном магнитном поле (вектор магнитной индукции В составляет угол 0 с направлением тока I), в направлении, перпендикулярном полю, возникает э.д.с. uH:
uH = KHIB sin 0 (3)
где КН„зависит от типа проводимости и размеров пластины (рис. 4,е).
Датчик Холла используют для измерения перемещений х объектов, а также величин, преобразуемых в перемещения, например давления. Постоянный магнит датчика механически связывают с объектом, и при смещении магнита пропорционально изменяется выходное напряжение датчика (ток при этом постоянен).
1.2. Пассивные датчики
В пассивных датчиках некоторые параметры выходного импеданса могут меняться под воздействием измеряемой величины. Импеданс датчика, с одной стороны, обусловлен геометрией и размерами его элементов, а с другой стороны - свойствами материалов: удельным сопротивлением р, магнитной проницаемостью ц и диэлектрической постоянной s. Изменения импеданса могут быть, таким образом, вызваны воздействием измеряемой величины либо на геометрию и размеры элементов
