Фотодиоды.

Фотодиоды относятся к классу генераторных датчиков.

При облучении кремния (Si) p-n перехода светом в них возникает напряжение, зависящее от силы света-зтот эффект называется внутренним фотоэффектом.

На практике чаще всего p-i-n-диоды- слоистая структура, в которой тонкие проводящие слои p и n типа разделены областью нелегированного высокоомного кремния (i).При попадании на p-i переход световых лучей достаточно высокой энергии (E=h*n) возникает фототок Ish (обратный), чувствительность сильно зависит от длины волны излучения Ish=0.1..1А¤Вт. Конструкция:

Для определения разрешающей способности датчика основное значение имеет эквивалентная мощность шума(ЭМШ) этот рараметр определяется как отношение шумового тока (в А/Гц^1/2) к чувствительности к световому потоку(в А/Вт) при отношении сигнал/шум=1.

ЭМШ зависит от длины волны.Чаще всего параметр ЭМШ указывают в максимуме кривой чувствительности (типовое 10^-5Вт/Гц^1/2).

Типичные схемы усилителей для преобразования ток-напряжение.

Для больших коэффициентов усиления применяют УПТ на полевых транзисторах с большим Rвх(10¹¹Ом) и высокоомным Rf.

Фоторезисторы.

Унекоторых материалов (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.В зависимости от силы света оно изменяется от 0.1 до 1К.Спектральная чувствительность определяется выбором материала.

Например: CdS обладает максимальной чувствительностью в зеленой области спектра- пригоден для измерения освещенности 550нм, CdSe обладает максимальной чувствительностью в красной области спектра- пригоден для измерения освещенности 650нм,у фоторезисторов из PbS или PbSe обладает максимальной чувствительностью в инфрокрасной области спектра- пригоден для измерения освещенности >900нм.

Конструкция: тонкая пленка светочувствительного материала(CdS/CdSe) в форме меандра, рассположенного на подложке из керамики покрытой слоем прозрачного полимера для защиты от влаги и грязи.

l=550нм-зеленый- CdS

l=650нм-красный -CdSe

l=950м-ИК- PbS

Тепловые приемники излучения(интегральные)

Под действием излучения происходит нагрев.В результате нагрева происходит изменение сопротивления либо возникновение механических напряжений.Чаще всего применяется для ИК области(т.к. для УФ и видимой области есть еще более чувствительные датчики).

Достоинство:независимость их чувствительности от спектрального состава излучения, т.е. их чувствительность почти постоянна от 90 до ИК.

Тип датчика	Физический эффект	Выходной параметр
Боломер	Изменение сопротивления металла либо полупроводимости	сопротивление
Термобатарея	ТермоЭДС;рабочий спай подвергается действию излучения,опорный-экранирован	Напряжение постоянное
Пироэлектрический детектор	Изменение поляризации некоторых материалов. Реагирует только ни изменение излучения	Переменное либо импульсное напряжение

Датчики положения.

Датчики положения:

-контактные

- резистивные(реаходные)

- бесконтактные:-оптические

-ультрозвуковые

-индуктивные

-емкостные.

В датчиках положения происходит бесконтактная регистрация процесса перемещения.

Датчик положения состоит из удлиненного p-i-n-диода с двумя выходными электродами (р) с одной стороны.

При неработающем механизме оптика юстируется таким образом, чтобы на обе части p-i-n-диода попадало излучение одинаковой интенсивности:Iа=Iв. Как ытолько излучатель начнет перемещаться, интенсивность перераспределяется и нарушается равенство токов Iа и Iв в итоге разность DI=| Iа-Iв| оказывается мерой уровня вибрации механизма.

Измерительная схема к датчику положения.

При обработке сигналов датчика I1,I2 формируется отношение разности сигналов к их сумме.При этом исключается влияние на точность изменения мощности облучающего устройства или изменение чувствительности датчика.

Типичное приминение оптических датчиков положения-измерение деформаций протяжения объектов(балки, конструкции) вибрации и т.д.

Двухкоординатные датчики положения.

Активная поверхность в форме квадрата, на каждой стороне которого по электроду А1,А2,А3,А4. В центре n-слоя- катод.

А1,А2-смещение Х.

А3,А4-смещение У.

Схема измерительного блока.

Датчики изображения на основе ПЗС.

Датчики изображения на основе ПЗС применяются в робототехнике, распознавании образов,АРМы и т. д.

Особенность: большой объем информации как пространственный, так и энергетический (яркость,цвет).

Принцип действия: блок-схема датчика ПЗС.

Фr-внутренний сброс

Фech-импульс сканирования

Ust-питание фотодиодов

Фр-параллельная передача

Фт-импульс сдвига

В качестве фотоэлементов используются пассивные фотодиоды p-n типа. Каждому фотодиоду соответствует отдельный МОП-конденсатор как элемент памяти. Количество:501Д на 1мм.На обеих концах строки датчика экранировано по 4 фотоэлемента, которые постоянно выдают эталонный сигнал равный темновому напряжению. Строка датчиков отделена от обоих сдвиговых регистров затворами(вентилями), при открытии которых накопленный заряд в параллельном режиме может быть перенесен в сдвиговые регистры. На каждой стороне строки датчика расположен сдвиговый регистр, который принимает заряды от четных и нечетных фотоэлементов (через вентили) и сдвигает их к выходу.

Для изоляции сдвиговых регистров относительно внешнего поля и подавления возникающих помех: темнового тока и шумов используются дополнительные регистры избыточных зарядов. Выходы сдвиговых регистров через диоды проходят на вход усилителя, где заряды преобразуются в напряжения и усиливаются. Для исключения накопления заряда на входе усилителя перед приемом каждого элемента изображения на вход усилителя подается соответствующее опорное напряжение. Получающиеся импульсы напряжения поступают на схему дискритизации по амплитуде и запоминания отсчетов.

Выходной виделосигнал зависит как от времени интегрирования (период Фр),так и от энергии излучения E=h*n.Оба параметра линейно связаны с выходным напряжением.

ПЗС датчик характеризуется модуляционной характеристикой (FTM):

FTM=Umax-Umin/(Umax+Umin-2*Uso),

Где Uso-темновое напряжение.

Темновое напряжение Uso ограничивает разрешающую способность датчика ПЗС.

Охлаждение датчика до 10°С улучшает предельное разрешение.

Выпускаются однокоординатные и двухкоординатные датчики.

Размер окна:15´10мм.

Информационность 576 ´384тчк

Тип ТНХ31133 фирма Thomson CSF удовлетворяет требованиям стандарта МККР (625 строк´50Гц).

Датчик шероховатости.

Контроль поверхности деталей при производстве либо ремонте.

Часто: линейные датчики изображения либо линейки фотодиодов. Действие датчиков основано на изменении светорассеяния.

Пучек света испускаемый в ИК светодиодом (l=800нм) фокусируется на детали в пятно диаметром 0.2..1.8(до4) мм. В зависимости от качества поверхности детали происходит рассеяние отраженного света, который направляется через оптическую систему на датчик изображения. Дисперсия распределения рассеянного света дает характеристику оптической шероховатости поверхности:

n

Sn=gS(I-Iср)²*Pi

I=1

Где I- номер фотодиода

Iср-номер фотодиода усредненного по интенсивности

Pi- интенсивность, регистрируемая i-м фотодиодом

g-нормирующий множитель.

n-номер, которому соответствует средняя интенсивность

Расчет выполняется микропроцессором.

Датчик ИК-излучения.

Диапазон длины волны 0.8..12мкм.

1-селенид свинца PbSe

2-сульфид свинца PbS

3-арсенид индия InAs

4-антимонид индия InSb

5-германиевые Ge

6-пироэлектрические

7-кремниевые Si

Области приминения:обнаружение людей (системы защиты), например излучение человека при температуре 36.4°С дает максимум при l=10мкм, следовательно пироэлектрический датчик(кристалл танталат лития LiTa).

Пироэлектрический эффект- эффект,в результате смещения зарядов в некоторых кристаллах при их нагреве(факт:поляризация обкладок конденсатора).Этот эффект не аналогичен термоэлектрическомуэффекту, т.к. в данном случае не возникает постоянное напряжение.(Заряд®импульс тока® импульс напряжения на Rn.

При резком воздействии ИК на пироэлектрический детектор в резулбтате нагрева- напряжение или ток на нем изменяются кратковтеменно, а затем спадают до нуля.

Чувствительность как по току или по напряжению зависит от частоты изменения падающего излучения. На частотах £10Гц предпочтительно усиление по напряжению, а в случае высокочастотных широкополосных сигналов- по току, т. к. детектор=С+q

При обнаружении людей(их передвижении) сигнал находится в области нескольких герц и приминимо усиление по напряжению.

Волоконно-оптические датчики.

Попадающий в волоконно-оптический детектор световой пучек от источника света под действием измеряемого параметра (давление, температура, уровень…) претерпевает изменение в датчике по интенсивности, поляризации, фазе или цвету.

Область приминения: в агрессивных средах, взрывоопасные смеси, высокая радиоактивность,сильные электро-иагнитные поля.

ы

Распространены:

1. Датчик уровня.

2. Датчики температуры.

3. Датчик тока.

Дата добавления: 2015-08-13