Оптикоэлектронные преобразователи

 

Применение оптических методов измерения физических величин как параметров технологических процессов исключает влияние средств измерений на технологический процесс, повышает точность измерений.

Изменение интенсивности поглощения света в зависимости от толщины слоя, а также селективность поглощения лежат в основе действия целого ряда оптических преобразователей, предназначенных для определения толщины, уровня, концентрации, структуры и химического состава веществ.

Оптический преобразователь включает в себя: источник излучения; оптический канал; приемник излучения.

 

Источник излучения

 

Требования:

- высокая эффективность преобразования энергии возбуждения в энергию оптического излучения;

- узкая полоса излучения;

- направленность излучения;

- быстродействие, т.е. быстрое возникновение и гашение потока;

- высокая технологичность;

- низкая стоимость;

- совместимость с микросхемами;

- устойчивость к жестким механическим, температурным, радиационным воздействиям;

- долговечность;

- надежность;

- миниатюрность;

- когерентность генерируемого излучения.

Когерентность – это согласованность между фазами колебаний в различных точках пространства в один и тот же момент времени – пространственная, а в различные моменты времени – временная.

Излучатели: лампы накаливания – физический эффект свечения нагретого тела – спектр излучения инфракрасный.

Газоразрядные источники дугового, тлеющего и импульсного разряда – потребляют большую мощность при относительно высоких напряжениях, имеют большие размеры, плохо поддаются минютиризации, обладают невысокой стабильностью. Их быстродействие достигает 10³-10⁴ Гц.

Наибольшее распространение получили светодиоды с красным, зеленым и желтым цветом свечения.

Их достоинства: высокий КПД; низкие токи и напряжения питания, малые размеры, относительно высокая частота переключений.

Основные недостатки – зависимость их параметров от температуры и продолжительность эксплуатации.

Лазеры – источники когерентных монохроматических излучений, позволяют получить чрезвычайно интенсивные остронаправленные пучки света. Различают твердотельные, газовые, полупроводниковые.

Однако большие размеры источников питания и излучательных трубок газовых лазеров ограничивает их применение.

У полупроводниковых лазеров высокий КПД, проста модуляция оптического излучения.

Приемники излучения. Преобразуют энергию излучения в электрический и оптический сигналы. Действуют по принципу фотоэффекта. Это фоторезисторы, фотодиоды, фототиристоры, фототранзисторы.

Сопротивление фоторезисторов изменяется под действием светового излучения, они обладают высоким быстродействием, чувствительностью. Основной недостаток – низкие рабочие частоты (10³-10⁵ Гц), высокая температурная нестабильность, влияние влажности.

Фотодиоды – аналог обычного диода. Отличие состоит в том, что его p-n – переход одной стороной обращен к стеклянному окну, через которое поступает свет и защищен с другой стороны. Может работать в двух режимах: фотодиодным (фотопреобразовательным) и вентильном (фотогенераторном). Их недостаток – существенная зависимость параметров от температуры. Бывают германиевые и кремневые.

Фототранзисторы – комбинация фотодиода и транзистора. Это позволяет одновременно с преобразованием световой энергии в электрическую осуществить усиление фототока. Два типа p-n-р и n-р-n.

На вход фототранзисторов можно подавать оптический и электрический сигналы. Характеристики фототранзисторов аналогичных характеристикам обычных транзисторов. Их темповой ток значительно больше, чем у фотодиодов, но и интегральная чувствительность выше.

Основной недостаток – значительно меньшая граничная частота по сравнению с фотодиодами. Для них характерны высокий уровень шума и сильная температурная зависимость темпового тока.

В последнее время стали часто использовать специфические оптоэлектронные полупроводниковые приборы – оптроны, объединяющие в одном корпусе источник излучения и фотоприемник, связанные между собой оптически, электрически или обеими связями одновременно.

В зависимости от типа и схемы включения оптроны обеспечивают гальваническую развязку входных и выходных цепей, коммутацию цепей с частотой до 10⁷ Гц могут работать в ключевом и налоговом режимах. Темповое сопротивление может достигать 10¹⁰ Ом, а в освещенном состоянии снижаться до сотен Ом.

Многие физические величины, преобразованные в линейное или угловое перемещение, можно перевести в электрический сигнал с помощью фотоэлектрических преобразователей.

Наиболее просто можно получить изменение светового потока Ф, а следовательно, и фототока, изменяя расстояние от источника излучателя до фотоприемника.

Использование фотоэлектрических преобразователей позволяет получить информацию о контролируемом параметре в виде параллельного цифрового кода – кодирующие измерительные преобразователи. С их помощью можно измерять линейное или угловое перемещение, вращающий момент, частоту вращения, предварительно преобразованные в перемещение.

Принцип их действия заключается в том, что для углового измерения перемещения используют кодирующий диск, устанавливаемый на оси подвижной части первичного преобразователя. При линейном перемещении используют кодирующую линейку.

Если диск (линейка) изготовлены из непрозрачного металла, то в нем в определенном порядке вырезают отверстия. Число рядов отверстий соответствует разрядности кода, его выбирают исходя из требуемой точности измерений.

Если используют прозрачный материал, то на нем формируют прозрачные и непрозрачные участки. Напротив каждого из рядов отверстий диска устанавливают с одной стороны источник излучения, с другой фотоприемник. Каждая пара (излучатель – фотодиод) выдает информацию о состоянии соответствующего разряда цифрового кода. Обычно применяют двоичный код.