Свето-излучающие диоды и их применение - Мухитдинов М.
Скачать (прямая ссылка):
Таким образом, для построения устройств контроля и измерения на СИД прежде всего необходимы сведения об оптических свойствах контролируемого объекта. По спектральным характеристикам в зависимости от вида измерения выбирают соответствующий полосам поглощения СИД и необходимый режим его работы.
Для обеспечения максимальной избирательности полосы поглощения контролируемого параметра должны максимально перекрываться спектральными характеристиками СИД. Далее подбирают фотоприемник и согласуют его с устройствами усиления и обработки сигнала.
3.2. ОДНОВОЛНОВЫЕ УСТРОЙСТВА
НА СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИХ ДИОДАХ (ФОТОМЕТРЫ)
Одноволновые устройства на СИД могут быть построены по одноканальной и двухканальной схемам. Они применяются для определения качественных и количественных параметров твердых веществ и материалов (например, для определения плотности, массы и т. п.) или анализа оптических свойств жидкостей и газов.
В одноволновых устройствах непосредственной оценки процесс измерения сводится к следующему. Контролируемый объект облучают потоком Ф01. Тогда на основе закона Бугера — Бера
Ф1 = Ф01е~к'т', (3.1)
где К\ — коэффициент; т\ — контролируемый параметр (масса, плотность и т. п.).
Разложив в степенной ряд это выражение, получим
Ф1 = Ф01(1-К1т1 + К*т1...). (3.2)
Пренебрегая членами высшего порядка, получаем приближенную зависимость контролируемого параметра
т л; — ( 4— — ^ . (3.3)
К \ Фох/
Но аппроксимация выходной характеристики линейной функцией вносит погрешность в результаты измерения, которая не превышает модуля выражения
Ь = К\ т\ ¦ (3-4)
Эта погрешность имеет мультипликативный характер, так как зависит от измеряемого параметра. Для уменьшения этой погреш-
36
ности обычно сужают диапазон измерения, и для линеаризации применяют логарифмирующие устройства, что также приводит к уменьшению точности (появляются инструментальные погрешности) .
Помимо перечисленных факторов на результат измерения влияет также нелинейность световой характеристики фотоприемника, так как зависимость фототока от потока излучения имеет нелинейный характер [15]:
/ф = с(/“ФР, (3.5)
где U — напряжение питания фотоприемника; Ф — световой поток; а, |3 — показатели степени; с — постоянная величина.
Таким образом, в приборах непосредственной оценки возникают погрешности из-за нелинейности световых характеристик фотоприемника и нелинейной зависимости фотоэлектрического сигнала от контролируемого параметра. Действительно, если подставить (3.1) в (3.5), то с учетом нагрузочного резистора фотоприемника
U = S/ф RH = c SRH U“ (Ф01 е-*^- )в, (3.6)
где S — чувствительность фотоприемника; RH — сопротивление нагрузочного резистора.
Скомпенсировать эти погрешности можно с помощью функциональной развертки, которую осуществляют со стороны фотоприемника или со стороны излучателя.
Примером одноволнового одноканального устройства с функциональной разверткой со стороны фотоприемника может служить концентратометр, структурная схема которого приведена на рпс. 3.1 [32]. В начальный момент ключ 2 находится в открытом состоянии и светоизлучающий диод СИД, питающийся от генератора тока 1, излучает световой поток. Этот световой поток проходит через контролируемую среду 4 и преобразуется фотодиодом ФД в фототок, а операционный усилитель 3 преобразует фототок в напряжение.
При превышении выходного напряжения усилителя установленного порогового уровня ключ 2 закрывается и излучение диода прекращается. При этом напряжение на входе усилителя не исчезает мгновенно, а спадает по экспоненциальному закону с постоянной времени, эквивалентной входной емкости и сопротивлению усилителя до определенного значения, при котором сигнал на входе усилителя 3 уменьшается до
Un = U1 exp (— t/т:), (3.7)
Рис 31 Структурная схема где U\ — напряжение срабатывания конценгратомера.
, г 1 — генератор тока; 2 — пороговый
ключа; т — время, в течение которого
ключ; 3 — операционный усилитель;
включен СИД; т — постоянная вре- с5-реТ-
М6НИ. стор отрицательной обратной связи
37
В результате в системе возникают незатухающие колебания. Временной интервал на выходе усилителя равен логарифму отношения Ui/U2:
t = (3.8)
Так обеспечивается линейная зависимость между периодом повторения импульсов и концентрацией.
Существенным недостатком этого устройства является отсутствие компенсации временной и температурной нестабильности СИД.
В одноволновых одноканальных устройствах с функциональной разверткой [31] со стороны излучателя также удается скомпенсировать погрешности, присущие приборам непосредственной оценки. Действительно, если контролируемый объект облучать потоком СИД Ф0, то в общем случае прошедший поток
Ф = Ф0Х(х), (3.9)
где %{х) —некоторая функция контролируемого параметра. На практике часто функция %{х) аппроксимируется показательной или степенной функцией.
Если поток излучения СИД сделать переменным во времени, то получим
Ф (*) = Ф; ср (f) X (х), (3.10)
где Ф* — некоторое постоянное значение потока; ф(/)—временная функция изменения потока.
Для указанного класса функций К(х) и при выборе функции
