Оптические датчики

По принципу оптико-электрического преобразования можно разделить на 4 типа на основе эффектов:

n фотоэлектронной эмиссии.

n фотопроводимости.

n фотогальванического.

n пироэлектрического (возникновение зарядов при нагреве светом).

Фотоэлектронная эмиссия или внешний фотоэффект - испускание электронов при падении света на физическое тело. Для вылета электронов им необходимо преодолеть энергетический барьер. Поскольку энергия фотоэлектронов пропорциональна hс/l (h - постоянная Планка, с - скорость света, l- длина волны). Чем короче длина волны тем больше энергия электронов.

Пример приборов на данном эффекте-Электронные лампы (Фотоумножители - Уст-ва, представляющее собой комбинацию фотокатода с электронным умножителем, усиливающим поток электронов, испускаемых фотокатодом при его облучении светом. Применяется в устройствах измерения слабых лучистых потоков, счетчиках элементарных частиц

Эффект фотопроводимости. - изменение электрического сопротивления физического тела при облучении его светом. Среди материалов, обладающих эффектом фотопроводимости - сульфиды цинка (ZmS), свинца (PbS), кадмия CdS, арсенида галлия GaAS и др. Максимум спектр чувств CdS приходится на свет с длиной волны 500-550 нм, что соответствует приблизительной середине зоны человеческого зрения.

Фоторезисторы - СФ2-1, СФ3-1...

Вольфрамовая нить накала.

Лампы накаливания с вольфрамовой нитью - широко распространенные источники света, особенно они подходят где не нужно высокое быстродействие. Ток, проходящий через нить, разогревает ее до температур 2200-3000 К. Нить раскаляется добела и излучает свет с непрерывном спектром.. Заметим, что 90% световой энергии приходится на инфракрасный (ИК) диапазон.

Инфракрасный (ИК) - 750 - 5000нм ____________10¹²- 10¹⁴ Гц

видимый свет - 400 - 750 нм___________________10¹⁴- 10¹⁵ Гц

Ультрафиолетовый (УФ) - 10 - 400 нм ___________10¹⁵-10¹⁷ Гц

Излучаемая нитью световая мощность пропорциональна четвертой степени приложенного напряжения.

Фотогальванический эффект возникновение ЭДС на выводах p-n перехода в облучаемом светом полупроводнике. Типичные датчики - фотодиоды, фототранзисторы, (высокая чувствительность 0,1-0,5 А/лм). В качестве материала подложки чаще всего используется кремний.

Схема включения.

Вольтамперная характеристика

Характерной особенностью рабочей области вольтамперных характеристик является практически полная независимость тока фотодиода от приложенного напряжения. Такой режим наступает при обратных напряжениях на диоде порядка 1 вольт.

Пироэлектрический эффект. (от греческого pyr -пир-огонь) - электризация поверхности некоторых кристаллических диэлектриков при их нагревании и охлаждении. Поверх. плотность возникающего электронного заряда прямо пропорциональна скорости изменения температуры и не превышает 1 мКл/м. Эффект используют для обнаружения инфракрасного излучения - регистрирует изменения температуры с точностью 10^-6 °С.

Для чего используют пирометры, которые в отличие от термопар и термосопративлений используют бесконтактные методы измерения. Известно,что интегральная интенсивность излучения для видимой части спектра приближенно равна

S⁺=sT⁴

где

s - постоянный коэффициент

Т - абсолютная температура

Интенсивность излучения любого реального тела всегда меньше этой интенсивности, если оно находится при той же температуре, что и черное тело.

Это уменьшение характеризуют коэффициентами, характеризующими состав вещества, состоянием поверхности тела

S =eS^*

Пирометры - приборы, используемые для измерения температуры, яркости, цвета нагретых тел.

Радиационные (20 - 2500°С)

Батарея термопар на платиновом листке, покрытом платиновой чернью.

Яркостный пирометр с исчезающей нитью.

Яркость тела > яркости нити, то нить видна в виде черной линии на ярком фоне.Наоборот - заметно свечение нити на бледном фоне.

Люкс - единица освещенности.

Люмен - единица светового потока.

Кандела (кн)= - сила света1 свечи.

Яркость экрана телевизора составляет 700-1000 кандела. Для специализированных пилотажных экранных индикаторов, чтобы не «слепли» при попадании прямых солнечных лучей до 3000 кандела.

Датчики перемещений -

делятся по диапазону входных сигналов на преобразователи малых перемещений (до 2-3 мм (линейные), 2-3 °- узловые)

и больших: нескольких метров, нескольких десятков оборотов.

Для измерения перемещений (роль которых велика, т.к.. силу, давление, момент сначала преобразуют в перемещение, а затем в электрическую величину).

Находят применение различные типы измерительных преобразователей:реостатные, тензометрические, индуктивные, емкостные, фотометрические.