датчик. КУрсОвая работа по дисциплине Первичные измерительные преобразователи
 Скачать 2.3 Mb.
|
 Рисунок 4.1 – Внешний фотоэффект Внешний фотоэффект можно наблюдать в газах, жидкостях, твердых телах. Практическое значение имеет внешний фотоэффект из твердых тел в вакуум. Вакуумный фотоэлемент – один из приборов, который основан на внешнем фотоэффект. Он состоит из стеклянного баллона, часть внутренней поверхности которого покрыта металлом. Баллон является катодом К. Металлическое кольцо А служит анодом (рисунок 4.2). Цепь на рисунке 4.2 разомкнута, значит ток в ней будет существовать, только если из катода будут вырваны (например, светом) электроны, которые затем достигнут анода. Сила фототока зависит от числа электронов, вылетающих из катода электронов или от их начальной скорости, и также от разности потенциалов между катодом и анодом. Зависимость силы фототока от анодного напряжения (при постоянной освещенности катода) называется вольтамперной характеристикой (ВАХ) фотоэлемента (рисунок 4.3).  Рисунок 4.2 – Вакуумный фотоэлемент  Рисунок 4.3 – ВАХ фотоэлемента При напряжении U=0 некоторые из фотоэлектронов долетают до анода, поэтому I ≠ 0 при U=0. С увеличением напряжения все большее число электронов достигают анода, а сила фототока при этом постепенно возрастает. При некотором напряжении (называемым напряжением насыщении Uнас) все фотоэлектроны достигают анода, и при дальнейшем увеличении напряжения не приводит к увеличению силы тока. Эта сила фототока называется током насыщения Iнас:  ,где n – число электронов, испускаемых катодом в 1с. Когда анодное напряжение отрицательно, то оно будет существенно тормозить фотоэлектроны, от чего сила тока уменьшится. При некотором значении напряжения U=Uз<0 (запирающее напряжение) даже самые быстрые фотоэлектроны не в силах достигнуть анода. В этом случае ток прекращается и вся начальная кинетическая энергия электронов будет расходоваться на совершение работы против сил задерживающего электрического поля:  Таким образом, измерив задерживающее напряжение Uз, можно определить максимальное значение скорости и кинетической энергии фотоэлектронов. Измеряя величину Iнас, можно судить о величине потока излучения, падающего на фотокатод. 4.2 ВНУТРЕННИЙ ФОТОЭФФЕКТ Внутренний фотоэффект представляет собой процесс образования свободных носителей заряда внутри вещества при воздействии излучения. Взаимодействие излучения с веществом может происходить без изменения или с изменением энергии падающего кванта. В этом случае лишь поглощение фотонов представляет интерес. Но возможно такое поглощение, при котором энергия фотона переходит в упругие колебания кристаллической решетки (в энергию фононов), в итоге поглощение излучения вызывает повышение температуры тела. Внутренний фотоэффект наблюдается в диэлектриках и полупроводниках. Он заключается в обусловленном действии света перераспределении электроном по энергетическим уровням. Если энергия кванта hʋ превышает ширину запрещенной зоны, поглотивший квант электрон переходит из валентной зоны в зону проводимости. В результате появляется дополнительная пара носителей тока — электрон и дырка, что проявляется в увеличении электропроводности вещества. Если в веществе имеются примеси, под действием света электроны могут переходить из валентной зоны на уровни примеси или с примесных уровней в зону проводимости. В первом случае возникает дырочная, во втором — электронная фотопроводимость. Этот эффект находит и практическое применение в одной из разновидностей фотоприемников — болометрах, но из-за невысокой чувствительности и низкого быстродействия болометры в оптоэлектронике не применяются. Лишь непосредственное возбуждение атомов, заключающееся в появлении дополнительных носителей заряда (фотоносителей), относится к фотоэффекту. Фотоэффект проявляется в электронных переходах двух типов: собственных (фундаментальных); примесных. Собственные переходы (или собственная проводимость) сопровождаются увеличением концентрации свободных носителей обоих знаков — и электронов, и дырок. Математическое условие начала возникновения собственной фотопроводимости записывается так:  ,где  — энергия кванта излучения.При выполнении этого условия вблизи границы поглощения, зависимость коэффициента поглощения от энергии кванта для прямозонных и не прямозонных полупроводников соответственно имеет вид:   ,где А и В - константы;  — энергия фонона, а выбор знака в зависит от того, идет ли процесс с отдачей энергии фонону (плюс) или с получением энергии от него (минус). Рисунок 4.4 — Собственные (1) и примесные (2, 3) фотопереходы электронов в полупроводнике (Ел - уровень ловушки) излучение измерение погрешность фотоэлектрический На внутреннем фотоэффекте основано действие так называемых фотосопротивлений. Количество образующихся носителей тока пропорционально падающему световому потоку. Поэтому фотосопротивления применяются для целей фотометрии. Первым полупроводником, нашедшим применение для этих целей, был селен.  Рисунок 4.5 — Область p-n перехода или на границе металла В области p-n перехода или на границе металла с полупроводником может наблюдаться вентильный фотоэффект. Он заключается в возникновении под действием света электродвижущей силы. На рисунке 4.5 показан ход потенциальной энергии электронов (сплошная кривая) и дырок (пунктирная кривая) в области p-n перехода. Неосновные для данной области носители (электроны в p-области и дырки в n-области), возникшие под действием света, проходят через переход. В результате в p-области накапливается избыточный положительный заряд, в n-области — избыточный отрицательный заряд. Это приводит к возникновению приложенного к переходу напряжения, которое и представляет собой фотоэлектродвижущую силу. Если р- и n-области кристалла подключить к внешней нагрузке, в ней будет течь ток. При не очень больших освещенностях силы тока пропорциональна падающему на кристалл световому потоку. На этом основано действие фотоэлектрических фотометров, в частности применяемых в фотографии экспонометров. 4.3 Модулированное излучение Модулированный луч увеличивает диапазон измерений и снижает влияние внешних источников освещения. Такой луч пульсирует на определенной частоте от 5 до 30 кГц. Фотоэлектрический датчик хорошо отличает модулированный луч от внешнего источника освещения. Источники света, которые применяется в конструкции датчиков, находятся в световом спектре от видимого зеленого до невидимого инфракрасного излучения. Обычно производители для этой цели используют светодиоды. Когда луч достигает объекта, возникают такие явления, как отражение, поглощение и передача света. Их параметры и коэффициенты напрямую зависят от объекта, его материала, поверхности, толщины и цвет. Расположенные близко друг от друга, два фотоэлектрических устройства могут создавать взаимные помехи. Поэтому между датчиками всегда существует минимальное расстояние. Такая проблема решается с помощью специальных защитных покрытий и точного позиционирования датчиков.   Рисунок 4.6 — Световой спектр 4.4 Избыточный коэффициент усиления Многие промышленные условия предполагают наличие пыли, грязи, дыма, влаги и других вредных компонентов окружающей среды. Датчики, которые работают в условиях присутствия хотя бы трех вышеперечисленных факторов, требуют большего количества света для нормальной работы. Избыточный коэффициент усиления представляет количество излучаемого света, выработанного сверх номинальной нормы приемника. В идеальных условиях среды (чистый воздух) коэффициент усиления близок или равен единицы. Но если воздух в помещении содержит переносимые частицы, которые поглощают до 50% светового пучка, необходимо установить коэффициент усиления 2 для приемника датчика. Коэффициент усиления рассчитывается по логарифмической шкале, как показано на рисунке 4.7. На приведенном графике видно, что если необходимо измерять объекты на расстоянии одного метра с помощью разнесенных излучателя и приемника, коэффициент усиления должен быть 30. Другими словами, для нормальной работы приемника требуется световой луч в 30 раз ярче номинальной яркости.  Рисунок 4.7 — Логарифмическая шкала Коэффициент усиления уменьшается при увеличении рабочего расстояния. Также не следует забывать, что рабочее расстояние для разных типов датчиков понимается по-разному: если для датчиков с прерыванием луча оно равно расстоянию от излучателя до приемника, то для совмещенных датчиков, отражающих от объектов, это расстояние от датчика до самого целевого объекта. Зона срабатывания. Фотоэлектрические датчики работают в определенной зоне срабатывания. Она зависит от принципов распределения светового пучка и диаметра светового пятна. Это связано с тем, что приемник датчики срабатывает только в том случае, если целевой предмет попадает в зону светового пятна.  |