ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

 

Фотоэлектрический преобразователь представляет собой фотоэлектронный прибор (фотоэлемент), используемый в качестве измерительного преобразователя. Существуют три типа преобразователей:

1) с внешним фотоэффектом;

2) с внутренним фотоэффектом;

3) фотогальванические преобразователи.

Наибольшее применение нашли фотоэлектрические преобразователи с внутренним фотоэффектом и фотогальванические преобразователи.

К преобразователям с внешним фотоэффектом относятся вакуумные и газонаполненные фотоэлементы и фотоэлектронные умножители.

 

Рис. 14.1. Схема фотоэлектронного умножителя

Вакуумные фотоэлементы состоят из вакуумной стеклянной колбы с двумя электродами – анодом и катодом. При освещении фотокатода (ФК) под действием фотонов света фотокатод эмитирует электроны. При приложении между анодом (А) и фотокатодом (ФК) напряжения, выбитые фотонами электроны образуют электрический ток, называемый фототоком. Для фотоэмиссии электронов необходимо, чтобы энергия фотона Е= n h, (где n - частота света; h - постоянная Планка) была больше работы выхода электронов Ф, характерной для данного материала фотокатода.

Частота n_гр=Ф/ h называется красной границей фотоэффекта, а соответствующая ей длина волны λ_гр=с/ n_гр= , называется длинноволновым порогом фотоэффекта (где с - скорость света). Если λ>λ_гр, то никакая интенсивность света не сможет вызвать фотоэффект.

Газонаполненный фотоэлемент аналогичен вакуумному, но заполнен каким-то инертным газом. При этом, благодаря ионизации газа, происходит усиление тока фотоэмиссии. Чувствительность газонаполненных фотоэлектрических преобразователей выше, чем у вакуумных.

Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) (рис.14.1) – это вакуумный фотоэлемент, снабженный системой электродов для усиления тока фотоэмиссии. Световой поток падает на ФК, который эмитирует электроны, которые фокусируются электрическим полем, создаваемым электродом Э. Созданный электродом Э поток электронов формируется в пучок диафрагмой Д и направляется на первый ускоряющий электрод Э₁, называемый динодом. Напряжение на Э₁ таково, чтобы энергии фотоэлектрона было достаточно для вторичной эмиссии электронов. При этом, то есть при вторичной эмиссии, испускается больше электронов, чем падает на динод Э₁. Таким образом происходит усиление потока электронов на каждом следующем диноде Э₂, Э₃, Э₄, Э₅.

Поток электронов с Э₅ собирается анодом А.

Анодный ток ФЭУ мал и требует дополнительного усиления. Для этого он преобразуется в напряжение сопротивлением R_н и подается на усилитель.

Питание ФЭУ производится с помощью делителя напряжения R₁ – R₈. ФЭУ имеют высокую чувствительность и используются для измерения очень малых световых потоков (до 10^-5 лк).

Фотоэлектрические преобразователи с внутренним фотоэффектом (фоторезисторы) выполняются в виде пластинки, на которую нанесен слой полупроводникового фоточувствительного материала (сернистый кадмий, селенистый кадмий или сернистый свинец).

Электропроводность полупроводниковых материалов обусловлена (связана) с возбуждением электронов валентной зоны и примесных уровней.

При возбуждении электроны переходят в зону проводимости, в валентной зоне появляются дырки. При освещении возбуждение электронов увеличивается, что увеличивает электропроводность.

Красная граница фоторезисторов находится в инфракрасной области, например, для сернисто-свинцовых λ_гр =2,7 мкм.

При небольших освещенностях число возбуждаемых светом электронов пропорционально освещенности и электрическая проводимость преобразователя определяется зависимостью:

G=J_ф/U,                                             (14.1)

где J_ф – фототок; U – напряжение, приложенное к преобразователю.

(Проводимость G – величина, обратная сопротивлению R_ф=1/ G).

При больших освещенностях прямая пропорциональность нарушается.

Чувствительность фоторезисторов определяется кратностью изменения их сопротивления, и для некоторых типов достигает значения:

К=R_т/R₂₀₀=10⁵ ,                                 (14.2)

где R_т – темновое сопротивление, т. е. сопротивление преобразователя в темноте; R₂₀₀ – сопротивление при Е=200 лк; ( – энергия светового потока); Е – g h – энергия фотона; n– число фотонов в потоке света.

При этом ВАХ фоторезисторов линейны, т. е. их сопротивление не зависит от приложенного напряжения.

Инерционность фотоэлектрических преобразователей характеризуется постоянной времени t и у сернисто-кадмиевых преобразователей составляет 1 – 140 мс, а у селенисто-кадмиевых – 0,5 – 20 мс.

В качестве примера использования фотоэлектрических преобразователей для измерения не световых величин на рис.14.2. показана дифференциальная схема для измерения концентрации раствора.

Рис. 14.2. Дифференциальная схема для измерения концентрации раствора

Луч света от источника 1 проходит по двум направлениям: 1) через объект измерения 2 (например, кювету с раствором) и попадает на фоторезистор 3; 2) через оптический клин 4 (настроечный элемент) и попадает на второй фоторезистор 5.

Фоторезисторы 3, 5 включены в мостовую схему и за счет их дифференциального подбора компенсируются температурные и другие аддитивные погрешности.

Достоинством схемы является её пригодность для измерения быстропеременных величин, когда, например, вместо кюветы 2 используется прозрачный трубопровод, через который протекает жидкость (контроль степени загрязнённости технической воды перед сбросом в водоёмы).

б)

Меньшую погрешность имеют дифференциальные схемы с одним фотоэлектрическим преобразователем (рис. 14.3. а)

t

Uвых

Е

Рис. 14.3. Схема для измерения концентрации раствора (а) и
характеристики ее работы(б)

По этой схеме лучи света с одного и другого каналов попеременно освещают фотоэлектрический преобразователь ФП₁. Коммутация осуществляется с помощью диска 2, имеющего отверстия и вращающегося с постоянной скоростью от синхронного двигателя Д. Световой поток, падающий на фотоэлектрический преобразователь, модулирован и изменяется во времени. Постоянная составляющая светового потока:

,                                  (14.3)

где  – световой поток, прошедший через объект измерения 3;

   – образцовый световой поток.

Переменная составляющая светового потока ∆Ф преобразуется в переменное напряжение и усиливается.

Здесь оба канала дифференциальной цепи различаются меньше, чем в предыдущем случае и более эффективно компенсируются аддитивные погрешности.
Литература

 

1. Молчанов А.П., Занадворов П.Н. Курс электротехники и радиотехники. изд. 2, перераб., М: Наука, 1969., 478 с.

2. Н.Н. Евтихеев, Я. А. Купершмидт, В. Ф. Палуловский., В.Н. Скугоров. Измерение электрических и неэлектрических величин. М: Энергоатомиздат, - 1990., 350 с.

3. Харт Х. Ведение в измерительную технику: Пер с нем. М. М. Гельмана. — М.: Мир, 1999., 380 с.

4. Электрические измерения неэлектрических величин. Под. ред. П. В. Новицкого, изд. 5, перераб и доп. , Энергия, Л: 1975, 576 с.

5. Электрические измерения. Под. ред. В.Н. Малиновского, М., Энергоиздат, 1982, 392 с.

 

 

Учебное издание

 

Борис Васильевич Лесной

Евгений Вячеславович Стегачев

Игорь Евгеньевич Грязнов