КАТЕГОРИИ:
АстрономияБиологияГеографияДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника
|
Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом (фоторезисторы). 1 страницаОни представляют собой однородную полупроводниковую пластинку с контактами, например из селенида кадмия, которая под действием светового потока изменяет свое сопротивление. Внутренний фотоэффект заключается в появлении свободных электронов, выбитых квантами света из электронных орбит атомов, остающихся свободными внутри вещества. Появление свободных электронов в материале, например в полупроводнике, эквивалентно уменьшению электрического сопротивления. Фоторезисторы имеют высокую чувствительность и линейную вольт-ампер- ную характеристику (ВАХ), т.е. их сопротивление не зависит от приложенного напряжения. Темновое сопротивление, чувствительность, инерционность зависят от температуры. Для уменьшения температурной погрешности рекомендуется включать фоторезисторы в смежные плечи моста.
Внутренний фотоэффект наиболее сильно выражен у таких полупроводников, как селен Se, сернистый свинец PbS, сернистый кадмий CdS, селенид кадмия CdSe и др. В зависимости от силы света электрическое сопротивление фоторезистора изменяется в пределах от 100 Ом до 1 кОм. Спектральная чувствительность определяется выбором материала. Так, CdS обладает максимальной чувствительностью в зеленой области спектра, поэтому он особенно пригоден для применения в измерителях освещенности. В противоположность этому максимум спектральной чувствительности CdSe находится в красной области, а у фоторезисторов из PbS/PbSe — в инфракрасной области. Фоторезисторы могут иметь самые разнообразные конструктивные решения, обеспечивающие разнообразие возможностей применения. Они обладают высокой удельной чувствительностью (до 7000 мкА/лмВ), что в некоторых случаях дает возможность обойтись без усилителей, низким тем- / пературным коэффициентом град шой мощностью рассеивания (0,6...0,7 Вт); имеют практически неограниченный срок службы и достаточно стабильны. К недостаткам этих фотоэлементов можно отнести значительную инерционность и сравнительно высокий уровень шумов. Фотогальванические преобразователи (фотодиоды и фототранзисторы). Данные преобразователи представляют собой активные светочувствительные полупроводники, создающие при поглощении света вследствие фотоэффектов в запорном слое свободные электроны и ЭДС. Фотодиод (ФД) может работать в двух режимах — фотодиодном и генераторном (вентильном). Фототранзистор — полупро Фототранзисторы, как и фотодиоды, применяются для пре образования световых сигналов в электрические. Однако в фото транзисторах наличие второго р—«-перехода увеличивает соб ственные шумы. Их чувствительность почти в два раза выше, чем у фотодиодов, и они обладают электрической и технологичес кой совместимостью с интегральными схемами. Вентильные фотоэлементы. Из них наибольшее распространение получили селеновые и сернисто-серебряные. Эти фотоэлементы обладают тем свойством, что под действием лучистой энергии они становятся источниками тока. По этому признаку их можно было бы отнести к генераторным преобразователям, однако, чтобы не разбивать группу фотоэлектрических преобразователей, их целесообразно рассмотреть в данном разделе. Работу фотоэлементов можно оценить по следующим характеристикам: световая характеристика — зависимость фототока от интенсивности светового потока, падающего на фотоэлемент /ф = /(Ф); спектральная характеристика — зависимость фототока от длины волны световых лучей /Ф = /(А); частотная (инерционная) характеристика — зависимость фототока от частоты изменения интенсивности падающего светового потока /ф =/(/„). вольт-амперная характеристика (ВАХ) — зависимость фототока от напряжения /ф = /(£/); температурная характеристика — изменение фототока от температуры фотоэлемента /ф= /(/"). Однако от изменения температуры зависит и спектральная характеристика фотоэлемента; усталость фотоэлемента — изменение характеристик фотоэлементов в зависимости от времени его работы. В фотодиодном режиме к ФД приложено запирающее напряжение. При отсутствии облучения под действием этого напряжения проходит лишь небольшой темновой ток, а при освещении р— «-перехода этот ток линейно увеличивается в зависимости от интенсивности облучения. В фотодиодном режиме ФД может рассматриваться как резистор и включаться в схемы делителей или мостовые измерительные цепи, позволяющие уменьшить влияние дрейфа темнового тока. Фотодиоды по напряжению питания хорошо согласуются с полупроводниковыми электронными элементами, поэтому используются в схемах совместно с операционными усилителями. Фоторезисторы широко применяются в преобразователях перемещений. В генераторном (вентильном) режиме ФД сам является источником тока. Высокая чувствительность вентильных Наиболее распространенными являются селеновые, сернисто- серебряные и кремниевые фотоэлементы. У селеновых фотоэлементов чувствительность составляет примерно 400...500 мкА/лм, а у сернисто-серебряных и кремниевых — 7000 мкА/лм. Селеновые фотоэлементы более стабильны и имеют большой срок службы. Кремниевые фотоэлементы практически безынерционны (т= 10"6с), стабильны и имеют низкий уровень шумов. Сила тока на выходе преобразователя с вентильным фотоэлементом на линейном участке характеристики (рис. 7.3) определяется по формуле ^ВЫХ ~ где Лф чувствительность фотоэлементов (с учетом нагрузки); Ф — световой поток. До освещенности 1000 л к чувствительность кремниевых фотодиодов постоянна и составляет 0,1... 2 мкА/лк. Они имеют энергетический КПД до 11%, поэтому применяются также для электропитания электронных измерительных приборов, например, в виде солнечных элементов кварцевых часов, батарей на спутниках и т.д. Они могут использоваться при температурах до 150°С. Упрощенная принципиальная схема включения вентильного элемента приведена на рис. 7.4. Здесь измеритель И включается непосредственно к зажимам фотоэлемента Ф, который под действием света является источником тока. Принципиальная схема включения фотоэлемента в фотодиодном режиме изображена на рис. 7.5.
В зависимости от степени освещенности фотоэлемента меняются показания вольтметра V. Схемы с усилителями постоянного тока очень чувствительны к помехам и к нестабильности напряжения источника питания. Это вызывает большие погрешности измерения, поэтому для усиления фототоков часто приме-
няют усилители переменного тока, которые менее чувствительны к по мехам и нестабильности напряже ния питания. Кроме того, источниками погрешностей измерения являются: • нестабильность напряжения источников питания фотоэлемента; •нестабильность напряжения питания источников света, так как от напряжения зависит величина светового потока; • изменение характеристики фотоэлементов во времени. Для исключения этих погрешностей применяют дифференциальные фотоэлектрические преобразователи. Наилучший результат дает применение дифференциальных преобразователей в нулевом режиме метода сравнения (рис. 7.6). Здесь распределение напряжения между двумя фотоэлементами Ф, и Ф2 определяется отношением падающих на них световых потоков и не зависит от абсолютного значения последних. Следует отметить, что избавление от погрешностей дает применение дифференциальных преобразователей лишь в нулевом режиме схемы сравнения. Погрешности, обусловленные изменением напряжения питания U фотоэлементов, а также изменением характеристик фотоэлементов во времени у приборов с дифференциальными преобразователями, работающими в неравновесном режиме, имеют место в той же мере, что и у приборов с недифференциальными преобразователями. Добиться исключения влияния непостоянства характеристик можно, используя дифференциальный преобразователь с одним фотоэлементом (рис. 7.7). Свет от лампы JI разделяется на два пучка. При помощи дополнительных зеркал 3 оба пучка попадают на фотоэлемент Ф. На пути обоих пучков света помещен вращающийся от синхронного двигателя Дв диск с зубцами D. Диск выполнен таким образом, что его зубцы поочередно перекрывают то один, то другой пучок, модулируя таким образом световой поток.
При равенстве световых потоков освещение фотоэлемента остается постоянным; при их неравенстве возникает переменная составляющая фототока, усиливаемая электронной цепью. Фотоэлектрические преобразователи в настоящее время широко применяют для измерения различных неэлектрических величин, особенно в системах автоматического контроля и регулирования: температуры тела, качества поверхности, скорости вращения, концентрации растворов и т.д. Рассмотрим принцип использования фотоэлементов для измерения неэлектрических величин. Фотоэлектрические тахометры. Принцип действия фотоэлектрических тахометров состоит в измерении частоты переменного тока фотоэлемента, освещенного световым потоком, модулированной вращающимся объектом измерения. На рис. 7.8 изображен принцип использования фотоэлемента для измерения угловой скорости вращения сох вала. Здесь прерывание светового потока, падающего на фотоэлемент Ф от источника питания JI, осуществляется с помощью диска D с прорезями, который вращается вместе с валом. Далее сигнал усиливается ОУ, поступает на двоичный счетчик Ст2, дешифратор ДС. Счетчик HL регистрирует число затемнений фотоэлемента, которое является функцией скорости вращения вала. Нефелометры. Фотоэлектрические приборы, измеряющие мутность растворов, называются нефелометрами. На рис. 7.9 показана оптическая схема прибора для контроля мутности исследуемой среды ИС методом сравнения с образцовой средой ОС.
Свет от источника JI при помощи зеркал 3, и 32 и линз JIb Л2, Л3 и Л4 направляется через кювету с испытуемым раствором на фотосопротивление ФС, и через образцовую среду — на фотосопротивление ФС2. Диафрагмы Д, и Д2 регулируют освещенность фотосопротивлений. Во время измерений сопротивление
ФС2 остается неизменным, а ФС, изменяется в зависимости от большего или меньшего поглощения светового потока исследуемой средой. При изменении сопротивления ФС,, т. е. при увеличении мутности раствора ИС, в схему управления поступает сигнал о нарушении режима или управляющий импульс для приведения в действие регулирующего органа. Фотоэлектрические расходомеры. Применение фотоэлементов позволило создать ряд надежных и простых расходомеров жидкостей и газов. На рис. 7.10 представлена схема расходомера, принцип действия которого основан на автоматическом измерении длительности наполнения объема определенной величины. Действие такого расходомера заключается в следующем: при достижении уровня нижнего фотосопротивления ФС, жидкость поглощает часть световой энергии, направленной на ФСЬ его сопротивление возрастает, реле Р1 выключается, и через контакт 1Р1 запускается счетчик времени Сч. При заполнении жидкостью калиброванной трубки до уровня верхнего фотосопротивления ФС2 выключается реле Р2 и его контакт 1Р2 отключает счетчик. Объемный расход жидкости 9 = 5^, 4т где d — внутренний диаметр трубы; Н — расстояние между оптическими осями ФС, и ФС2; т — время, отсчитанное счетчиком Сч. При постоянном значении Н показания счетчика будут соответствовать определенному расходу жидкости. 7.2. ЕМКОСТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ Емкостный преобразователь представляет собой конденсатор, емкость которого изменяется под действием измеряемой неэлектрической величины. В качестве емкостного преобразователя широко используют плоский конденсатор, емкость которого можно выразить формулой С = е0е£/5, (7.1) где е0 — диэлектрическая постоянная воздуха (е0= 8,85 • 10"12 Ф/м; е — относительная диэлектрическая проницаемость среды между обкладками конденсатора; S — площадь обкладки; 5 — расстояние между обкладками. Так как измеряемая неэлектрическая величина может быть функционально связана с любым из этих параметров, то устройство емкостных преобразователей может быть самым различным в зависимости от области применения. Для измерения уровней жидких и сыпучих тел используют цилиндрические или плоские конденсаторы; для измерения малых перемещений, быстроизменя- ющихся сил и давлений — дифференциальные емкостные преобразователи с переменным зазором между обкладками. Рассмотрим принцип использования емкостных преобразователей для измерения различных неэлектрических величин. Емкостный уровнемер. На рис. 7.11 показано устройство емкостного преобразователя для измерения уровня — емкостный уровнемер. Он представляет собой коаксиальный конденсатор. Его электроды 7 и 2 изолированы друг от друга. Емкость С такого преобразователя может быть определена как емкость двух параллельно соединенных конденсаторов; один из них С, образован частью электродов и диэлектриком — жидкостью, уровень которой измеряется, а другой С2 — остальной частью электродов и диэлектриком — воздухом: Этт + (7.2) где /0 — полная длина преобразователя, м; / — длина преобразователя, заполненного жидкостью, м; е0 — электрическая постоянная воздуха, ф/м; е — диэлектрическая проницаемость жидкости; и R2 — радиусы внешнего и внутреннего цилиндров, м. Таким образом, по мере заполнения преобразователя жидкостью, его емкость будет изменяться в функции от уровня.
Толщиномер. На рис. 7.12 представлен принцип действия емкостного толщиномера, измеряющего толщину ленты 2 из диэлектрика (например резины). Рис. 7.12. Емкостный толщиномер: Рис. 7.13. Измеритель перемещения 1 — обкладки конденсатора; 2 — лента 1,2— обкладки преобразователя Лента протягивается между обкладками 1 конденсатора, и п зависимости от ее толщины изменяется диэлектрическая проница емость межэлектродного пространства. Если обозначить длину зазора между обкладками конденсатора через 5, толщину ленты диэлектрика 5Д, а диэлектрическую проницаемость ленты через ел, то емкость можно выразить формулой
Измерители силы и перемещений. При измерении механической силы или перемещения используют зависимость емкости от расстояния 5 между обкладками / и 2 преобразователя (рис. 7.13). Зазор 8 изменяется в зависимости от величины измеряемого усилия или перемещения. Схемы с дифференциальным преобразователем (рис. 7.14) имеют большую чувствительность и точность. Обкладка 2 закреплена на пружинах и перемещается параллельно самой себе под воздействием измеряемой силы Р. Обкладки 1 и 3 неподвижны. Емкость между обкладками 2 и 3 увеличивается, а между обкладками / и 2 уменьшается.
Емкостные преобразователи для измерения малых перемещений (порядка Ю-6... Ю"3 м) отличаются высокой чувствительностью, линейностью, малыми погрешностями и одновременно простотой конструкции и легкостью подвижной части, что в ряде случаев делает их незаменимыми.
Измеритель угла поворота. На рис. 7.15 изображен принцип устройства емкостного преобразователя для измерения угла поворота вала. Подвижная обкладка измерителя 2, жестко скрепленная с валом 3, перемещается относительно неподвижной обкладки 1 так, что зазор между обкладками сохраняется неизменным, а изменяется действующая площадь обкладок, а следовательно, и емкость преобразователя. Рабочий зазор 5 несоизмеримо мал по отношению к зазору 5|. Путем соответствующего выбора формы пластин можно получить любую функциональную зависимость между изменением емкости и входным угловым перемещением. Подобного типа преобразователи применяют и для измерения линейных перемещений. Измеритель влажности. Емкостные преобразователи используют для измерения влажности различных веществ: пряжи, волокна, кожи, зерна и т.д. На рис. 7.16 представлено устройство преобразователя для измерения влажности волокна или пряжи. Цилиндрический конденсатор заполняется исследуемой пряжей или волокном и включается в одно из плеч измерительного моста. Так как вода имеет очень высокую относительную диэлектрическую проницаемость (еН2о =81) по сравнению с е для остальных веществ (е = 1 ...6), то в зависимости от влажности испытуемого вещества диэлектрическая проницаемость, а следовательно, и емкость преобразователя будут изменяться. Измерительные цепи с емкостными преобразователями. В большинстве случаев емкостные преобразователи включаются в мостовые цепи переменного тока. Для повышения точности и чувствительности емкостный преобразователь делается дифференциальным и включается в соседние плечи моста (рис. 7.17). Для того чтобы реализовать преимущества емкостных преобразователей, необходимо выполнить ряд требований к измерительной цепи. Емкостные преобразователи, как правило, имеют малую емкость (десятки — сотни пикофарад) и поэтому при промышленной частоте обладают весьма малой мощностью. Например, В измерительную
Рис. 7.15. Измеритель угла поворота вала: 1,2 — соответственно неподвижная
и подвижная обкладки измерителя; Рис. 7.16. Измеритель влажности ве- 3 — вал если преобразователь имеет емкость С= 100 пФ, то при частоте/= 50 Гц и напряжении питания U= 50 В получаем ^пР= U2mC = 502 • 2тг50 • 100 • 10"12 = = 80-Ю-'6 В-А. Так как мощность измерителя должна быть меньше мощности преобразователя, то, очевидно, в качестве измерителя можно использовать только электронный прибор.
Сопротивление емкостного преобразователя очень велико. Для приведенного выше преобразователя имеем
£ 30 МОм. 2тг-50-100-10"'2
Такое сопротивление преобразователя требует большого сопротивления в выходной диагонали моста. Этому условию удовлетворяют электронные приборы, имеющие высокое входное сопротивление. Кроме того, при таком большом сопротивлении преобразователя должны быть очень высокими требования к изоляции измерительной цепи и измерителя. Если сопротивление преобразователя сравнимо с сопротивлением изоляции цепи измерителя, то токи утечки будут сравнимы с током в преобразователе. Поэтому емкостные преобразователи часто применяют в цепях повышенной частоты, что сильно увеличивает его мощность и уменьшает сопротивление. Во избежание наводок все подводящие провода необходимо тщательно экранировать, а точки заземления экранов выбрать так, чтобы в цепи не было элементов, шунтирующих рабочие емкости. Напряжение питания преобразователя должно быть ограничено из-за опасности пробоя воздушного промежутка. Обычно допускаемое напряжение составляет 700 В/мм. Напряжение можно увеличить, если поместить между обкладками конденсатора тонкую слюдяную пластинку, так как слюда имеет пробивное напряжение около 103 кВ/мм. Наличие такой пластинки способствует получению более линейной зависимости выходного напряжения от усилия или изменения зазора U = /(Д5).
Погрешности емкостных преобразователей. При использовании емкостных преобразователей нужно помнить о том, что между подвижной и неподвижной пластинами действует сила электростатического притяжения К = 2 52 которая может внести погрешность в измерения. Если входное сопротивление цепи, включенной в диагональ моста, бесконечно велико и рабочие емкости ничем не шунтируются, то погрешность можно избежать, применяя дифференциальный преобразователь (см. рис. 7.14), в котором силы, действующие между парами пластин, направлены встречно и полностью компенсируют друг друга. Уменьшение или увеличение зазора вызывает пропорциональное уменьшение или увеличение напряжения между соответствующими пластинами, а сила, действующая между ними, остается неизменной, т.е. разность сил равна нулю, независимо от перемещения. При колебаниях температуры окружающего воздуха будут изменяться геометрические размеры преобразователя, что может привести к большой погрешности измерения. Особенно это имеет место, если детали преобразователя выполнены из разных металлов, имеющих различные температурные коэффициенты расширения. Температурную погрешность можно значительно уменьшить правильным выбором геометрических размеров деталей преобразователя, а также их температурных коэффициентов расширения. Изменение влажности воздуха следует учитывать при измерениях емкостными преобразователями. Если, например, градуировка прибора производилась в сухом помещении, а измерения будут проводиться при влажном воздухе, то может возникнуть систематическая погрешность из-за изменения диэлектрической проницаемости воздушного промежутка преобразователя. 7.3. ТЕПЛОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ Тепловой преобразователь представляет собой проводник или полупроводник с током, с большим температурным коэффициентом, находящийся в теплообмене с окружающей средой. Имеется несколько путей теплообмена: конвекцией; теплопроводностью среды; теплопроводностью самого проводника; излучением. Интенсивность теплообмена проводника с окружающей средой зависит от следующих факторов: скорости газовой или жидкой среды; физических свойств среды (плотности, теплопроводности, вязкости); температуры среды; геометрических размеров проводника. Эту зависимость температуры проводника, а следовательно, и его сопротивления от перечисленных факторов можно использовать для измерения различных неэлектрических величин, характеризующих газовую или жидкую среду: температуры, скорости, концентрации, плотности (вакуума). Материал преобразователей. Тепловым преобразователем может служить проводник с высоким и стабильным температурным коэффициентом электрического сопротивления. Этим требованиям удовлетворяют в основном проводники из химически чистых металлов, так как большинство из них обладает положительным температурным коэффициентом, колеблющимся (в интервале О... 100 °С) от 0,35 до 0,68 % на 1 °С. В качестве преобразователей наиболее распространены платина, медь и никель. Вопрос о выборе материала для того или иного преобразователя решается в основном химической инертностью металла в измеряемой среде и пределом изменения температуры. Так, медный преобразователь можно применять при температуре в пределах -50...+180 "С в атмосфере, свободной от влажности и газов. При более высоких температурах медь окисляется. Изоляцией для меди могут служить эмаль, винифлекс, шелк. Недостатком меди является ее малое удельное сопротивление. Никель при условии хорошей изоляции от воздействия среды можно применять до 250... 300 °С, а при более высоких температурах зависимость R=f(t) для него неоднозначна. Линейная зависимость R = f(t) у никеля выполняется только для температур не свыше 100 °С. Недостатком никелевых преобразователей является различный для каждой марки никеля температурный коэффициент (0,51 ...0,58 % на 1 °С). Поэтому последовательно с никелевой проволокой обычно включают манганиновое сопротивление, снижающее температурный коэффициент до расчетного и стабилизирующее его. Достоинством никеля является большое удельное сопротивление (р= 0,075...0,085 Ом-мм2/м). Наилучшими свойствами обладает платина, так как она, во- первых, химически инертна, а во-вторых, может быть использована в диапазоне температур -200... +650 °С. Однако платину нельзя применять в восстановительной среде (углерод, пары кремния, калия, натрия и т.д.). В настоящее время все чаще применяют полупроводниковые терморезисторы (термисторы), которые изготовляют из смеси оксидов различных металлов: меди, кобальта, магния, марганца и др. В процессе изготовления преобразователь подвергают обжигу при высокой температуре. При обжиге оксиды спекаются в плотную массу в виде шарика, столбика или шайбы, на нее напыляются электроды и подпаиваются выводы из медной проволоки. Для защиты от внешних воздействий чувствительный элемент тер- мистора покрывают защитной краской, помещают в герметический металлический корпус или запаивают в стекло. С увеличением температуры сопротивление термисторов уменьшается. Зависимость сопротивления от температуры выражается формулой R, = AeB'T, (7.3) где А — постоянная, зависящая от материала, его размеров и формы; В — постоянная, зависящая от физических свойств полупро Промышленность выпускает терморезисторы сопротивления в разнообразном конструктивном исполнении типов ММТ, КМТ-4, МКМТ. Достоинства: очень высокой (отрицательный) температурный коэффициент сопротивления (2,5...4% на 1 °С), чувствительность в 6... 10 раз выше чувствительности металлического терморезистора, малая теплоемкость и инерционность. Недостатки: нелинейная зависимость их сопротивления от температуры (рис. 7.18), большой разброс и нестабильность характеристик от образца к образцу. Это затрудняет получение линейной шкалы прибора и замену вышедшего из строя полупроводника. Кроме того, у них довольно мал температурный диапазон (-100 ... +120 °С).
|