Оптические датчики

Бесконтактное измерение ряда физических величин, как, например, перемещений, вибраций, температуры и т. д., оказывается возможным лишь с помощью оптических датчиков. При этом информация пере­дается не по кабелю, а световыми волнами, которые могут изменяться по интенсивности, фазе, цвету или геометрическому распределению в пространстве и благодаря этому оказываются пригодными для полу­чения и передачи информации. Чрезвычайно простым оптическим датчиком является, например, известная фотоячейка.

Фотоячейка состоит из источника света (лампы накаливания или светодиода) и приемника (фото­диода или фоторезистора). Нарушение передачи све­та от источника к приемнику служит информацией о нахождении объекта в фотоячейке. Если число им­пульсов отнести к единице времени, то, например, при конвейерном производстве можно получить ин­формацию о количестве деталей, изготовленных за час или за день.

Преобразование оптического сигнала в электриче­ский осуществляется детекторами излучения, исполь­зующими различные физические эффекты.

Фотодиоды. При облучении кремниевых фотодиодов светом в них возникает напряжение, определенным образомзависящее от силы света. Эффект, вызывающий воз­никновение этого напряжения, называется внутренним фотоэффектом.

На практике чаще всего применяют р/n-диоды. Эти диоды имеют слоистую структуру (рисунок 4.14), в которой тонкие проводящие слои р/n-типа разде­лены областью нелегированного высокоомного крем­ния (i). При попадании на р/n-переход световых лучей достаточно высокой энергии (Е = hv)возникает фототок I _sh (ток короткого замыкания) порядка 0,1..1 А/Вт. Чувствительность такого фотодиода очень сильно зависит от длины волны (цвета) ис­пользуемого излучения.

Рисунок 3.14 – Структура светодиода

Е квантовая эффек­тивность характеризует отношение числа фотонов, попавших на диод, к числу электронов, возникших в виде фототока I_Sh. Фототок I_Sh изменяется линейно в зависимости от интенсивности падающего света при ее изменении в пределах более 6 порядков, так что возможна пря­мая индикация интенсивности света.

Фоторезисторы. У некоторых материалов (например, CdS, CdSe, PbS, PbSe) электрическое сопротивление изменяется под действием света из-за образования электронно-дырочных пар. Возникающие при этом свободные но­сители заряда вызывают резкое снижение сопротив­ления. На рисунок 4.15 показана зависимость сопротив­ления такого датчика при различной освещенности (измеренной в люксах). В зависимости от силы света оно изменяется от 100 до 1 кОм. Спектральная чув­ствительность определяется выбором материала. Так, CdS обладает максимальной чувствительностью в зеленой области спектра и поэтому осо­бенно пригоден для применения в измерителях освещенности. В противоположность этому максимум спектральной чувствительности CdSe находится в красной области, а у фоторезисторов из PbS/PbSe – даже в ИК-области.

Рисунок 4.15 – Характеристики р/n-диодов

Промышленный фоторезистор состоит из тонкой пленки светочувствительного материала (CdSe/CdS) в форме меандра. Этот фотопроводящий слой, расположен­ный на керамической основе с соединительными про­водами, для защиты от влаги и грязи покрыт слоем прозрачного полимера. На рисунок 4.16 показаны также наиболее распространенные конструктивные формы, обеспечивающие разнообразие возможностей приме­нения фоторезисторов.

Рисунок 4.16 – Конструктивные исполнения фоторезисторов