Оптические чувствительные элементы

В качестве оптических ЧЭ чаще всего используют оптронные пары светоизлучатель — фотоэлемент. Первыми излучателями были вакуумные или газонаполненные лампы, получившие название ламп накаливания. Их дос­тоинство — сравнительно большая мощность излучения и стабильная тем­пературная характеристика в широком диапазоне температур от -60 до 150 °С (рис. 2.7, а). Причем необходимый уровень выходного сигнала дос­тигается уже при 50-процентной выходной мощности, что позволяет увели­чить ресурс работы ЧЭ путем снижения U_ип.Так, для лампы с U_ип = 6 В, имеющей срок службы 100 ч, при понижении U_ип до 4 В ресурс возрастает до 10 000 ч. Кроме того, высокая мощность излучения позволяет снизить требования к чувствительности и помехозащищенности фотоприемников. Применение ламп накаливания в фотоэлектрических датчиках положения позволяет непосредственно сформировать «линию считывания» и тем са­мым обойтись без щелевых диафрагм. Такое простое техническое решение вдвое увеличивает разрешающую способность датчика.

В последнее время в промышленных датчиках положения все чаще ис­пользуют излучающие полупроводниковые диоды — светодиоды. Их дей­ствие основано на явлении электролюминесценции¹.

Яркость свечения светодиода пропорциональна току через него.Для рассмотренных типов излучателей свойственно постепенное умень­шение излучаемой мощности с течением времени (рис. 2.7, б).

Ниже приведены основные параметры светодиодов:

Мощность излучения Р, Вт........................................................... до 1,0

Ширина спектральной характеристики

на уровне 0,5Р/Р_mах, нм......................................................................... до 50

Длина волны λ, соответствующая максимуму S(λ), мкм....... 0,4... 1,2

Угол направленности Δθ, град..................................................... 60...160

Направленность излучателя представляет собой свойство концентрации излучаемой мощности в относительно малом телесном угле. Диаграмма на­правленности (рис. 2.7, в) характеризует зависимость мощности излучения P от его направления г (или угла θ):

Направление r₀ соответствует мощности излучения Р_тaх, совпадающей перпендикуляром к излучающей поверхности. При использовании полярных координат угол θ обычно выбирают из условия Р/Р_тах ≥ 0,8.

По массогабаритным показателям — надежности, быстродействию и потребляемой мощности — светодиоды превосходят лампы накаливания. Их срок службы превышает 10⁴ ч. Недостатки светодиодов связаны с малой мощностью излучения (наибольшая у арсенид-галлиевых) и ее зависимостью от температуры.

В последнее время все большее распространение получают полупроводниковые лазерные диоды. Принцип действия лазера основан на способности которой активной среды под действием внешнего электромагнитного излучения определенной частоты формировать когерентное монохроматическое излучение.

Особенностью лазерного излучения является очень острая диаграмма направленности и исключительно малый диаметр фокального пятна (в дат­чиках положения менее 0,1 мкм). Толщина полупроводникового пакета из трех слоев не превышает 100 мкм, а стороны пакета имеют длину 400 мкм и ширину 300 мкм. Генерация света происходит в активном слое GaAs при прохождении через него тока.

Большинство лазерных диодов излучает свет в ИК диапазоне. Длина волны λ, а следовательно, и размер фокального пятна зависят от содержания алюминия. Сейчас промышленно выпускают лазерные диоды с длиной вол­ны 0,78...0,63 мкм. Их выходная мощность достигает 0,003...0,5 Вт при дол­говечности более 10⁵ ч. Недостаток лазерных диодов — сравнительно большие потери оптической энергии.

Действие приемников света, в качестве которых чаще всего используют фотодиоды и фототранзисторы, основано на внутреннем фотоэффекте. Фотодиод представляет собой полупроводниковый диод на базе р — п- перехода или барьера металл — полупроводник, смещенного в обратном направлении. При этом обратный ток фотодиода зависит от освещенности его р —n-перехода.

При освещении выпрямляющего р —n-перехода световым потоком Ф_с происходит генерация избыточных носителей и обратный ток фотодиода возрастает на величину I_ф, называемую фототоком (рис. 2.8, а).

Обратное смещение перехода составляет 10...30 В. Фотоприемники изготавливают на основе германия, кремния, свинца, индия, они имеют линейную функцию преобразования. Так, в качестве приемников для светодиодов из GaAs ис­пользуют кремниевые фотодиоды, для которых максимум спектральной чувствительности приблизительно соответствует 1,4 эВ.

Принцип действия фототранзистора основан на усилении фототока кол­лекторного р—n-перехода. Внутри фототранзистора между его базой и кол­лектором включен фотодиод, вырабатывающий ток I_ф, который создает то­ки в цепях транзистора:

здесь Iк, Iэ— ток в цепи коллектора и эмиттера соответственно; h21э — коэффициент усиления схемы с общим эмиттером.

Функцию преобразования фотоприемника можно представить в обоб­щенном виде (рис. 2.8, б):

где S_ф— чувствительность фотоприемника, А/лм; Ф_с — световой поток, Лм

Оптические ЧЭ позволяют строить высоконадежные и точные датчики с разрешающей способностью менее 0,01 % и диапазоном преобразования до 2¹³.

В табл. 2.5 приведена сравнительная характеристика оптических ЧЭ.

Дата добавления: 2015-08-26