Фотоэлектрические преобразователи

Классификация измерительных преобразователей

Обычно классифицируются по принципу работы или практическому применению.

По назначению преобразователи бывают:

1) первичные (датчики), включает в себя чувствительный элемент (зонд, мембрану) и другие необходимые элементы для преобразования входной НЭВ в выходную электрическую величину.

2) унифицированные, состоит из датчика и схемы согласования, измеряемая физическая величина преобразуется с использованием источника энергии в нормированную выходную величину. Нормированные сигналы постоянного тока 0...± 5 мА или 0...± 20 мА. Для устройств со смешенным нулем: ±1...± 5 мА или ±4...± 20 мА.

3) промежуточные преобразователь получает сигнал измерительной информации от предшествующего преобразователя и передает после преобразования этот сигнал последующему преобразователю.

По характеру преобразования входной величины бывают линейные (функциональная зависимость между входной и выходной величинами линейная) и нелинейные (нелинейная).

По принципу действия бывают:

1) генераторные, измеряемая НЭВ преобразуется в пропорциональные ЭДС, напряжение, ток или электрический заряд, функционально связанные с измеряемой величиной, например ЭДС термопары.

2) В параметрических датчиках измеряемая величина преобразуется в различные параметры электрических цепей: сопротивление, емкость, индуктивность, частоту.

Для датчиков основными характеристиками являются: тип, диапазон измеряемой величины, диапазон рабочих температур и погрешность в этом диапазоне, обобщенное входное и выходное сопротивления, частотная характеристика.

Рис. Классификация измерительных преобразователей по принципу действия

Параметрические преобразователи

Фотоэлектрические преобразователи

Фотоэлектрическими называются (фотоэлементы) такие преобразователи, у которых выходной сигнал изменяется в зависимости от светового потока, падающего на преобразователь. Делятся на три типа: фотоэлементы с внешним фотоэффектом, фотоэлементы с внутренним фотоэффектом и фотоэлектрические преобразователи.

В настоящее время применяются чаще полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи с внутренним фотоэффектом (фоторезисторы) и фотогальванические (фотодиоды и фототранзисторы).

Внутренний фотоэффект: появление свободных электронов, выбитых квантами света из электронных орбит атомов, остающихся свободными внутри вещества. Появление свободных электронов в материале, эквивалентно уменьшению электрического сопротивления. Имеют высокую чувствительность и линейную ВАХ, т.е. их R не зависит от приложенного U.

Внутренний фотоэффект наиболее у селена Se, сернистого свинца PbS, сернистого кадмия CdS, селенид кадмия CdSe и др. В зависимости от силы света R освещенного фоторезистора от 100 Ом ¸ 1 кОм.

Фоторезисторы обладают высокой удельной чувствительностью (можно иногда обойтись без усилителей), низким температурным коэффициентом, сравнительно большой мощностью рассеивания (0,6...0,7 Вт); практически неограниченный срок службы и стабильны. Недостатки инерционность и высокий уровень шумов.

Фотодиоды и фототранзисторы 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 – полупроводниковый приемник лучистой энергии с двумя и более p-n – переходов, в которых совмещен фотодиод и усилитель фототока.

В фотодиодном режиме ФД может рассматриваться как резистор и включаться в схемы делителей или мостовые измерительные цепи. Фотодиоды по U_ПИТ хорошо согласуются с полупроводниковыми электронными элементами, поэтому используются в схемах совместно с операционными усилителями.

Фотоэлектрические преобразователи широко применяют для измерения НЭВ: перемещения тел, качества поверхности, скорости вращения, концентрации растворов и т.д.

Их оптическая схема имеет три основных разновидности: работа на просвет, на обратное отражение и на рассеянное отражение.

1. Просвет: приемник и излучатель расположены напротив друг друга. Объект измерения создает световой барьер.

2. Обратное отражение: содержат в одном корпусе схему излучателя и приемника. Световой луч распространяется от излучателя, до обратного отражателя (призма) затем и попадает в приемник.

3. Рассеянное отражение, обнаруживают объект, расположенный перед датчиком по отраженному от объекта излучению самого датчика.