Оптические преобразователи

Оптический преобразователь входной величины Х, или Х_г (рис. 3.18) в выходную величину I содержит источник излуче­ния, характеризующийся потоком Ф_г, некоторый оптический канал и приемник излучения, воспринимающий поток Ф_Z на выходе канала и преобразующий его в выходной электрический сигнал I. Воздействие входной величины Х на поток излучения Ф_г может осуществляться двумя путями.

В первом случае измеряемая величина Х воздействует непо­средственно на источник и изменяет тот или иной параметр излу­чения. Например, горящая сигнальная лампочка или светодиод свидетельствуют о включенном состоянии прибора. Во втором слу­чае измеряемая величина Х воздействует на оптический канал, меняя непосредственно поток Ф_Z. Например, по исчезновению

потока Ф_г при неизменном потоке Ф, можно судить о том, прошел человек через турникет метро или нет.

По принципу кодирования информации фотодатчики можно разделить на две группы:

• с амплитудной модуляцией, когда значение фототока про­порционально световому потоку, зависящему от контролируемой величины;

• с временной или частотной модуляцией, когда фототок из­меняется дискретно за счет полного или частичного прерывания светового потока в результате воздействия контролируемой вели­чины, о значении которой судят по числу, частоте или длитель­ности импульсов фототока.

Свет, как любое другое электромагнитное излучение, распро­страняется в веществе со скоростью v= с/n, где с= 2,998 • 10⁸ м/с - Скорость света в вакууме; n≥ 1 — оптическая плотность среды (по­казатель преломления). Для воздуха n= 1,0003 , скорость света в атмо­сфере практически совпадает со скоростью света в вакууме.

Источники оптического излучения бывают тепловыми и люминесцентными. В тепловых источниках в результате нагрева ве­щества часть тепловой энергии переводит атомы в возбужденное состояние, когда электроны переходят на внешние орбиты с боль­шей энергией. Возбужденное состояние является неустойчивым, так что через некоторое время электрон излучает избыток энер­гии в виде кванта света (фотона), переходя при этом на одну из внутренних орбит.

Тепловым источником является лампа накаливания, состоя­щая из цоколя с электродами, стеклянного баллона, наполненного инертным газом, и тела накала. Если лампа служит ис­точником излучения оптических преобразователей, то повышен­ные требования предъявляются к качеству стекла баллонов, к расположению и форме тела накала, которое должно быть малым по величине и равномерным по яркости. Например, спи­раль (тело накала) свивается таким образом, чтобы ее витки накладывались друг на друга и казались сплошным светящимся кругом.

В люминесцентных источниках энергия возбуждения берется ато­мами из нетепловых источников. При электролюминесценции элек­троны, разогнанные до большой скорости в электрическом поле, сталкиваются с атомами газа и возбуждают их. При катодолюми­несценции разогнанные электроны возбуждают атомы твердого тела (люминесцентного слоя электронно-лучевых трубок). При фотолюминесценции атомы твердого тела поглощают кванты света, переходя в возбужденное состояние, после чего излучают кван­ты, но уже меньшей энергии и большей длины волны.

К люминесцентным источникам относятся газоразрядные лам­пы, светодиоды , оптические квантовые генераторы (лазеры). По­лупроводниковый светодиод - удобный миниатюрный источник света определенной частоты, яркость которого зависит от прохо­дящего через него тока. В качестве полупроводника используются арсенид галлия, фосфид галлия, карбид кремния, работающие при температурах не выше 70 °С.

Лазер является когерентным излучателем, т. е. все излучаемые кванты имеют одинаковую длину волны, фазу и поляризацию. Ла­зеры способны излучать остронаправленные интенсивные пучки света заданной длины волны. Это в свою очередь технически уп­рощает прием излучения (при параллельном пучке размер источ­ника совпадает с размером приемника), что позволяет передавать излучение на большие расстояния с малыми потерями.

На практике применяют в основном газовые (гелиево-неоно­вая смесь), твердотельные (рубин) и полупроводниковые (арсе­нид галлия, кремний с примесями индия, фосфид галлия) лазеры.

Для газовых лазеров угол расходимости составляет 10', для твер­дотельных - 20... 30', для полупроводниковых - 6...10°.

Наиболее широко распространены полупроводниковые лазе­ры в силу их сравнительной простоты и высокого КПД. Приемни­ки излучения можно разделить на две группы: тепловые и фото­электрические.

К тепловым приемникам относятся термоэлементы (рис. 3.19), в которых энергия излучения преобразуется в тепловую энергию на металлическом диске 2, покрытом слоем черни (черной краски) 1, и оценивается термопарами 3 по температуре диска. Энергия излучения, поглощенная диском, рассеивается излучением, кон­вективным теплообменом с газом окружающей среды и тепло­проводностью через термопары. Для уменьшения конвекции и по­вышения чувствительности прибора преобразователь помещают в вакуум (кварцевый или стеклянный баллон с откачанным возду­хом). При снижении давления в баллоне до 10 ^-6 бар (нормальное атмосферное давление составляет 1 бар) чувствительность возрастает более чем в 10 раз. Следует отметить, что приемник поглощает обычно энергию всех падаю­щих квантов, независимо от их длины вол­ны, т. е. выходная величина пропорцио­нальна интегральной, суммарной мощно­сти излучения, падающего на приемную площадку.

Фотоэлектрические приемники (фотоэле­менты ) используют явление фотоэффек­та: энергия квантов потока света поглощается электронами твердого тела, в резуль­тате чего они покидают свои атомы. В элек­трическом поле освободившиеся электро­ны движутся упорядоченно, т. е. возникает электрический ток. Чем больше квантов нужной энергии упадет на поверхность эмиттера, тем больше электронов покинет атомы и . тем больше будет фототок.

Фотоэлементы обычно способны поглощать кванты в узком диапазоне длин волн, и их выходная величина определяется мощ­ностью излучения на конкретной длине волны, характерной для данного фотоэлемента. Фотоэлементы с внешним фотоэффектом (рис. 3.20) (вакуумные и газозаполненные фотоэлементы и фото­умножители) используют эффект выбивания квантами света элек­тронов из катода 1, которые под действием электростатического поля устремляются к аноду 2, создавая фототок I. Катоды изготав­ливаются из щелочных металлов: лития, натрия, цезия, калия, рубидия. Напряжение между электродами составляет 70... 300 В. Превращение светового потока в фототок практически безынер­ционно. Однако реактивное сопротивление цепей соединения снижает быстродействие при­бора до обычного для электро­преобразователей.

При высокой яркости изме­ряемого потока происходит эф­фект усталости светочувстви­тельного слоя вследствие не­хватки электронов в атомах на поверхности, способных поки­нуть тело при поглощении фо­тонов. Если яркость света была не очень велика, то световая чувствительность восстанавли­вается после пребывания фото­элемента в темноте.

В вакуумных фотоэлементах электроды помещены в вакуум для исключения влияния газа на движение выбитых фотонами электронов. Это делает линейной характеристику прибора (за­висимость фототока от яркости излучения).

В газонаполненных фотоэлементах электроны, выбитые фото­нами, ускоряются электрическим полем и, сталкиваясь с молеку­лами газа, ионизируют их, увеличивая тем самым число носите­лей зарядов и фототок в несколько раз (до 7) по сравнению с вакуумным фотоэлементом. Однако характеристика таких фото­элементов нелинейна. Кроме того, эти фотоэлементы инерцион­ны: фототок стабилизируется только через некоторое время после изменения интенсивности светового потока по мере стабилиза­ции газового разряда.

Газонаполненные фотоэлементы применяют для световых по­токов, меняющих свою интенсивность с частотой не выше сотен герц. В фотоумножителях (рис. 3.21) помимо катода К и анода А имеются вторичные катоды (эмиттеры) Э с системами фокуси­ровки электронного луча. Электроны, выбитые фотонами из като­да, ускоряются и при ударах о вторичные катоды Э выбивают дополнительные электроны так, что число электронов, уходящих с эмиттера, в 2-4 раза больше числа электронов, упавших на него, а общий коэффициент усиления (отношение числа элект­ронов, упавших на анод, к числу электронов, вылетевших с като­да) в многокаскадных фотоумножителях достигает сотен тысяч.

Напряжение питания подводится к катоду, ко всем эмиттерам и аноду через делитель напряжения так, чтобы между смежными эмиттерами было напряжение, обеспечивающее требуемый для вторичной электронной эмиссии разгон электронов.

характеристика фотоумножителей линейна только при малых фототоках (1 мА). Так как электроды находятся в вакууме, фото­умножитель практически безынерционен.

Преимуществами фотоэлементов, использующих внешний фо­тоэффект, являются:

• Высокая чувствительность;

• Линейная характеристика;

• высокая температурная стабильность характеристики.

К недостаткам этих фотодатчиков следует отнести:

• высокое напряжение питания (сотни и тысячи вольт);

• низкую механическую прочность (хрупкость стеклянного бал­лона, непрочность электродов);

• старение и утомляемость фотоэлементов.

В полупроводниковых фоторезисторах, состоящих из полупро­водникового светочувствительного слоя толщиной около одного микрометра нанесенного на стеклянную или кварцевую пластин­ку, в полупроводнике (германий, индий, сернистый кадмий, сер­нистый свинец) под действием фотонов образуются пары элект­рон-дырка. Внешне это выглядит как уменьшение сопротивления резистора. В генераторных фотоэлементах (фотодиодах) помимо возникновения носителей зарядов под действием фотонов допол­нительно производится их разделение, так что на зажимах фото­элемента образуется фото ЭДС, являющаяся выходной величиной. Чувствительность полупроводниковых фотоэлементов зависит от длины волны фотонов: выпускаются фотодатчики для разных ди­апазонов спектра светового излучения.

Достоинствами полупроводниковых фотодатчиков являются:

• высокая чувствительность;

• линейная характеристика;

• малая инерционность (контролируемая частота прерывания светового потока может достигать нескольких килогерц);

• надежностъ и долговечность;

• малые масса и габаритные размеры;

• простота конструкции и использования, питание измеритель­ной цепи низким напряжением.

К недостаткам полупроводниковьх фотодатчиков следует отнести:

• Высокую чувствительность показаний к температуре окружаю­щей среды;

• утомляемость фотоэлемента.

В целом следует отметить универсальность фотодатчиков, отсут­ствие обратного воздействия датчика на контролируемый объект вследствие бесконтактности.

Недостатками оптических датчиков является:

• чувствительность к ударам и вибрациям,

• плохая работа в условиях таких оптических помех, как запыленность, загазованность, высокая влажность, помехи от осветительных приборов об­щего освещения.

В устройствах автоматики фотодатчики используются в основном как дискрет­ные двухуровневые (есть/нет потока света), например, в уст­ройствах считывания перфолен­ты (есть/нет отверстия), фото­реле, когда при попадании све­та на фотодатчик возникает ток, замыкающий реле (турникеты метро).

С развитием полупроводни­ковой техники все шире при­меняются в качестве источника и приемника излучения свето- и фотодиоды, способы включения которых в измерительные цепи детально разработаны, а в каче­стве канала передачи - волоконно-оптический световод (рис. 3.22), в котором гибкая тонкая (от нескольких микрон до нескольких миллиметров) прозрачная стеклянная нить 1 помещена в оболоч­ку из оптически менее плотного вещества 2 и в защитную оболоч­ку 3. Световой пучок подается на один торец световода.

Так как оптическая плотность световода выше плотности обо­лочки, а угол падения пучка на боковую поверхность световода близок к 90°, то происходит явление полного отражения света от поверхности. Свет распространяется вдоль искривленного волок­на, что позволяет проводить оптические измерения в труднодо­ступных местах и на больших расстояниях.

Фотоэлектрические датчики получили очень широкое распро­странение в системах автоматики. Наиболее часто они использу­ются в схемах релейного действия, где выдают сигнал «освещено» или «затемнено».

Фотореле состоит из источника и приемника излучения. Пос­ледний включен в цепь обмотки электромагнитного реле (напря­мую или через усилитель). При попадании светового потока на приемник в нем возникает ток, приводящий к срабатыванию элек­тромагнитного реле, управляющего каким-либо устройством. Та­кие фотореле используются для чтения перфоленты, на которой информация закодирована наличием или отсутствием отверстий в определенных местах. Перфолента протягивается сквозь ряд фо­тореле, и при наличии отверстий в ней в ЭВМ пойдут импульсы, соответствующие дорожкам перфоленты с отверстиями. Фотореле применяют для фиксации достижения предметом заданного по­ложения. Например, в автоматических устройствах защиты об­служивающего персонала от производственных травм фотодатчик при попадании руки рабочего в опасную зону выдает предупреди­тельный сигнал или выключает механизм. Линейку фотодиодов используют для определения размера детали: по числу диодов, затененных деталью, и по расстоянию между ними рассчитывает­ся размер. Проецируя увеличенный контур детали на линейку, можно значительно повысить точность определения размера. Су­ществуют устройства определения шероховатости поверхности по интенсивности отраженного от поверхности светового потока.

Фотодатчики используются для контроля за перемещением суп­порта металлорежущих станков (рис. 3.23). Источник света направ­ляет полосу света на прозрачный диск, на который нанесена ко­довая шкала с прозрачными и непрозрачными участками. За дис­ком расположена линейка фотодиодов. Каждому кодовому кольцу диска соответствует один двоичный разряд числа, кодирующего угол поворота. Сигналы с фотоэлементов попадают на логичес­кую схему контроля поворота диска (выходом является код угла поворота, т. е. это абсолютный датчик положения). Инкремент­ный датчик положения построен аналогично, но имеет всего один фотодатчик и подвижную прозрачную линейку или диск с нане­сенными на них непрозрачными штрихами (до тысячи штрихов на 1 мм). При перемещении линейки или повороте диска фото­элемент выдает импульсы, а логическая схема их считает.

В рассмотренных примерах использовался дискретный фото­датчик. Однако существуют и аналоговые датчики. Например, для измерения температур более 1500 К широко применяются ярко­стные пирометры, в которых температура или цвет источника света кодируется током через фотоэлемент.