Фотоэлектрические датчики

Глава 12 ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ

§ 12.1. Назначение.

Типы фотоэлектрических датчиков

Фотоэлектрические датчики реагируют на изменение ос­вещенности. Как правило, фотоэлектрический датчик состоит из источника и приемника светового потока (ПСП). Источником све-■ тового потока может быть сам объект измерения или специальный осветитель (например, в виде обычной лампы накаливания).Опыт­ный сталевар, рассматривая через темно-синий светофильтр рас­плавленный металл, может определить «на глаз» его температуру,

необходимость внесения каких-либо добавок. По световому потоку, исходящему от раскаленного или расплавленного металла, фото­электрический пирометр автоматически измеряет температуру. В данном случае источником светового потока является сам объ­ект измерения (рис. 12.1, а).

Однако чаще используются лампы накаливания, создающие по­стоянный световой поток, а его изменение происходит под влияни­ем перемещения шторки (рис. 12.1, б), прохождения света через контролируемую среду (рис. 12.1, в), под влиянием свойств конт­ролируемого объекта, от которого отражается световой поток (рис. 12.1, г). В соответствии с этими возможными вариантами из­менения светового потокас помощью фотоэлектрических датчиков можно измерять перемещение и подсчитывать число предметов, определять уровень, прозрачность, задымленность, цвет различных материалов, оценивать качество обработанной поверхности (блеск, шероховатость, окраска). Фотоэлектрические датчики используют в оптико-электронных преобразователях различных величин. Здесь следует напомнить, что более 75% всей информации, которую по­лучает человек, воспринимается с помощью зрения. Поэтому и фо­тоэлектрические датчики, воспринимающие оптическую информа­цию, находят широкое применение. С помощью фотоэлектрических датчиков осуществляется и так называемое «техническое зрение».

В приемниках светового потока фотоэлектрических датчиков используется фотоэффект. Под фотоэффектом понимают изменение свойств материала при изменении его освещенности. Различают внешний, внутренний и вентильный фотоэффект. Внешний фотоэф­фект состоит в том, что под влиянием потока излучения электроны вылетают из катода электронной лампы и ток эмиссии зависит от освещенности катода. Внутренний фотоэффект проявляется в том, что активное сопротивление полупроводникового материала зави­сит от его освещенности. При вентильном фотоэффекте между сло­ями освещенного проводника и неосвещенного полупроводника, раз­деленных тонким изоляционным слоем, возникает ЭДС, которая зависит от освещенности. При внешнем фотоэффекте носители то­ка выходят за пределы материала, при внутреннем — остаются внутри полупроводника. Вентильный фотоэффект, строго говоря, тоже является внутренним фотоэффектом.

Все фотоэлектрические датчики являются селективными (изби­рательными), т. е. их чувствительность зависит от частоты свето­вого излучения. Иными словами, эти датчики реагируют на опре­деленный цвет: красный, зеленый, синий или другой, включая и невидимую часть спектра (инфракрасное и ультрафиолетовое из­лучения). Диапазон длин волн видимого света =0,380,78 мкм. Более короткие волны относятся к ультрафиолетовому диапазону, более длинные — к инфракрасному.

Рекомендуемые материалы

§ 12.2. Приемники излучения фотоэлектрических датчиков

К приемникам излучения на основе внешнего фотоэффек­та относятся электровакуумные или газонаполненные фотоэлемен­ты, фотоэлектронные умножители и передающие электронно-луче-

вые трубки. К приемникам излучения на ос­нове внутреннего фотоэффекта относятся фоторезисторы, фотодиоды и фототриоды. Все приемники излучения являются элект­ронными и полупроводниковыми прибора­ми и изучаются в курсе электроники. Здесь будут рассмотрены только краткие физиче­ские основы их работы и характеристики тех приемников излучения, которые нашли применение в системах автоматики.

На рис. 12.2 приведена схема включе­ния вакуумного фотоэлемента. Анод А и катод К фотоэлемента находятся   в   стек-

лянном баллоне, из которого откачай воздух. Когда световой по­ток падает на катод, покрытый активным слоем, электроны полу­чают энергию, позволяющую им вылететь из катода. Это явление называется фотоэлектронной эмиссией. Под действием источника В приемниках светового потока фотоэлектрических датчиков используется фотоэффект. Под фотоэффектом понимают изменение свойств материала при изменении его освещенности. Различают внешний, внутренний и вентильный фотоэффект. Внешний фотоэф­фект состоит в том, что под влиянием потока излучения электроны вылетают из катода электронной лампы и ток эмиссии зависит от освещенности катода. Внутренний фотоэффект проявляется в том, что активное сопротивление полупроводникового материала зави­сит от его освещенности. При вентильном фотоэффекте между сло­ями освещенного проводника и неосвещенного полупроводника, раз­деленных тонким изоляционным слоем, возникает ЭДС, которая зависит от освещенности. При внешнем фотоэффекте носители то­ка выходят за пределы материала, при внутреннем — остаются внутри полупроводника. Вентильный фотоэффект, строго говоря, тоже является внутренним фотоэффектом.

Все фотоэлектрические датчики являются селективными (изби­рательными), т. е. их чувствительность зависит от частоты свето­вого излучения. Иными словами, эти датчики реагируют на опре­деленный цвет: красный, зеленый, синий или другой, включая и невидимую часть спектра (инфракрасное и ультрафиолетовое из­лучения). Диапазон длин волн видимого света =0,380,78 мкм. Более короткие волны относятся к ультрафиолетовому диапазону, более длинные — к инфракрасному.

питания с ЭДС Е между катодом и анодом создается электриче­ское поле, которое и заставляет электроны перемещаться от ка­тода к аноду. В электрической цепи создается электрический ток, называемый фототоком. Когда действие света прекращается, ток в фотоэлементе и внешней электрической цепи исчезает.

Зависимость фототока от светового потока называется световой характеристикой. Эта характеристика при постоянных значениях Е и R практически линеиная. Фотоэлемент характеризуется также чувствительностью, которая равна отношению фототока (в микро­амперах) к световому потоку (в люменах). В газонаполненных фотоэлементах благодаря ионизации молекул газа, заполняющего баллон, фототок увеличивается. Поэтому чувствительность газона­полненных фотоэлементов больше, чем у вакуумных. Однако све­товая характеристика вакуумного фотоэлемента более стабильна, менее зависима от колебаний напряжения питания, чем у газона­полненных элементов. Поэтому для целей автоматического изме­рения чаще применяются вакуумные фотоэлементы.

Промышленностью серийно выпускаются электровакуумные фо­тоэлементы типа СЦВ (сурьмяно-цезиевый, вакуумный) и типа Ф разных модификаций. Например, фотоэлемент типа Ф-1 имеет наи­лучшую чувствительность при =0,215 мкм, Ф-3 — при = =0,750 мкм, Ф-5 — при = 1,1 мкм. Это означает, что фотоэлемент Ф-1 реагирует на ультрафиолетовое излучение, Ф-3 — на видимый свет, Ф-5 — на инфракрасный цвет. Фотоэлементы работоспособны и при других длинах волн, но выходной сигнал при этом будет меньше. На рис. 12.3, а показан фотоэлемент типа СЦВ-4, имею­щий размеры диаметр 27 мм и длину 62 мм и интегральную чув­ствительность 80 мкА/лм. Фотоэлектронные умножители (ФЭУ) в отличие от фотоэлементов имеют дополнительные электроды. Бла­годаря вторичной эмиссии электронов из этих электродов чувстви­тельность ФЭУ во много раз превышает чувствительность фотоэле­ментов. Однако для ФЭУ требуется и значительно большее напря­жение питания.

Фоторезистор состоит из светочувствительного слоя полупровод­ника толщиной около микрометра, нанесенного на стеклянную или кварцевую пластинку. Токосъемные электроды выполнены с приме­нением драгоценных металлов. При внутреннем фотоэффекте под действием светового потока в полупроводнике появляются допол­нительные свободные электроны, благодаря чему увеличивается электропроводность, а сопротивление фоторезистора уменьшается.

Промышленностью выпускаются фоторезисторы типов СФ, ФР, ФС различных модификаций. В них используются полупроводнико­вые материалы: сернистый кадмий, сернистый свинец, германий, индий и др.

На рис. 12.3, б, в, г показан внешний вид некоторых фоторези­сторов, а на рис. 12.3, д — спектральные характеристики фоторе­зисторов из некоторых полупроводниковых материалов. По верти­кальной оси отложена чувствительность в относительных единицах, а по горизонтальной — длина волны монохроматического (т. е. определенного цвета) светового потока. Вид кривой (острый пик или пологая вершина) зависит и от технологии изготовления полу­проводникового материала.

Надо отметить, что чувствительность схем с фоторезисторами во много раз больше, чем схем с фотоэлементами. Например, фо­торезистор типа СФЗ-2А имеет в освещенном состоянии ток в 3 мА. При отсутствии света и напряжении на фоторезисторе в 10 В через него протекает ток в 2 мкА. Таким образом, кратность изменения сопротивления может достигать 3-10^-3/(2-10^-6) = 1500.

Для автоматического измерения фоторезисторы используют ча­ще всего в мостовой схеме. Для исключения погрешности из-за по­тока излучения фона в Два плеча моста включают одинаковые фоторезисторы, один из которых воспринимает только излучение фона, а другой освещается одновременно измеряемым объектом и фоном.

К недостаткам фоторезисторов следует отнести их инерцион­ность. Она заключается в том, что при освещении фоторезистора фототок не сразу достигает своего конечного значения, а при пре­кращении освещения ток снижается до первоначального значения также не мгновенно, а по истечении определенного времени. По­стоянная времени фоторезисторов составляет десятые и сотые доли секунды. Еще один недостаток фоторезисторов — зависимость со­противления от температуры.

Фотодиодами называются полупроводниковые приборы, осно­ванные на внутреннем фотоэффекте и использующие односторон­нюю проводимость р-п-перехода.

Различают два режима работы фотодиодов: фотогальваниче­ский и фотодиодный. В фотогальваническом режиме не требуется источник питания, поскольку при освещении р-л-перехода появля­ется ЭДС, под действием которой возникает ток во внешней цепи. В этом режиме фотодиод непосредственно преобразует энергию света  в электрическую энергию;

При освещенности  в 8-10³ лк фотоЭДС составляет около 0,1 В. В фотодиодном режиме к фотодиоду прикладывается напряжение обратной поляр­ности, т. е. такое, при котором обычный диод не проводил бы ток. При освещении фотодио­да (его п-области) обратный ток резко увеличивается, фо­тодиод начинает проводить ток в обратном направлении.

Промышленностью    выпус каются фотодиоды типа ФД различных модификации. В качестве материала чувствительного слоя используются германий, крем­ний, селен. На рис. 12.4, а, б показаны конструкции некоторых фотодиодов, на рис. 12.4, в — его устройство. На металлическую пластинку 1 наносится слой полупроводника 2, поверх которого осаждается полупрозрачная пленка золота 3. Между золотой пленкой и полупроводником создается запирающий слой. Поверх пленки 3 накладывается защитный слой прозрачного лака 4. С внешней цепью фотодиод соединяется с помощью выводов, одним из которых является контактное металлическое кольцо 5.

При замыкании фотодиода на сопротивление нагрузки по внеш­ней цепи потечет ток, зависящий от светового потока. Такой ре­жим работы фотодиода называется фотогальваническим. В этом режиме фотодиод непосредственно преобразует энергию света в электроэнергию. Чувствительность фотодиода к суммарному свето­вому потоку при коротком замыкании селеновых фотоэлементов довольно велика и составляет 0,5 мА на 1 лм. При увеличении внешнего сопротивления в цепи фотодиода его чувствительность падает. Инерционность фотодиодов примерно на порядок меньше, чем у фоторезисторов.

 Фотодиоды чаще используются не для целей автоматического измерения, а в схемах фотореле; Для этих же целей используются и фототранзисторы, совмещающее свойства фотодиода и усили­тельного транзистора.

§ 12.3. Применение фотоэлектрических датчиков

Фотоэлектрические датчики получили очень широкое рас­пространение в системах автоматики и имеют хорошую перспекти­ву дальнейшего распространения. Наиболее часто они используют­ся в схемах релейного действия, где выдают дискретный сигнал: «Освещено» или «Затемнено».

. Фотореле состоит из осветителя, создающего световой поток, и приемника излучения (фотоэлемента, фоторезистора, фотодиода или фототранзистора). Приемник излучения включен в цепь обмот-

ки электромеханического реле (непосредственно или чаще через усилитель). При попадании светового потока на приемник скачком изменяется фототок и срабатывает реле, осуществляя необходимые переключения в схеме управления каким-либо устройством. Такие фотореле используются в турникетах, пропускающих пассажиров в метро, фиксируют достижение различными механизмами опреде­ленных положений, очень широко применяются в автоматических устройствах защиты обслуживающего персонала от производствен­ных травм. Когда рука рабочего случайно пересекает световой барьер, ограждающий опасную зону, подается предупреждающий сигнал или механизм вообще останавливается. С помощью фото­датчиков осуществляется считывание дискретной информации с перфоленты. Информация на такой ленте записана с помощью от­верстий, пробиваемых в определенных местах. Наличие отверстия "означает цифру 1, а отсутствие отверстия — цифру 0 в двоичном коде. Каждому разряду в двоичной форме счисления соответствует место расположения отверстий на перфоленте. Перфолента про­кручивается между осветительной лампой и несколькими фотодат­чиками (рис. 12.5, а), количество которых соответствует числу счи­тываемых разрядов. Для таких целей могут использоваться специ­альные полупроводниковые приборы, объединяющие в одной кон­струкции несколько фотодатчиков. Эти фотодатчики располагаются в одну линию друг за другом, например так называемая линейка фотодиодов. Имеются и фото диодные матрицы, где фотодатчики расположены, как клетки в таблице.

Линейку фотодиодов используют для измерения размеров дета­ли, перемещаемой на конвейере. Деталь перекрывает световой по­ток (рис. 12.5, б) и затемняет такое количество фотодиодов, кото­рое соответствует высоте детали.

Изменение длины перемещаемой детали может выполняться и по сигналу одного фотодатчика (рис. 12,5, в). Деталь, пересекая передней кромкой световой барьер, дает сигнал на подсчет числа импульсов. Когда фотодатчик снова освещается, подсчет импуль­сов заканчивается. По зафиксированному счетчиком количеству импульсов определяется длина движущегося предмета. Датчик им­пульсов кинематически связан с приводом конвейера. Поэтому колебания скорости движения детали не влияют на точность изме­рения ее длины.

Рассмотрим применение фотоэлектрических датчиков для пре­образования угла поворота в цифровой код (рис. 12.6, а, б). Осве­титель направляет световой поток через прозрачный диск, на ко­торый фотохимическим способом нанесена кодовая шкала с про­зрачными и непрозрачными участками. С другой стороны диска расположены фотоприемники, количество которых равно числу раз­рядов двоичного числа. На рис. 12.6 показан кодовый диск с шестью разрядами. Самый старший разряд расположен ближе все­го к центру диска. Прозрачный участок означает двоичную циф­ру «1», непрозрачный — двоичную цифру «О». Если во всех разря­дах стоит «О», то это двоичный код числа 0. Если во всех разрядах стоит «1», то это двоичный код десятичного числа 63 (1111112= =63₁₀). Свет, проходя через кодовый диск, попадает на фотопри­емники. Наличие выходного сигнала с фотоприемника принимается за «1», отсутствие — за «0». Такое устройство называется аналого-цифровым преобразователем или кодовым датчиком.

Для измерения крутящего момента применяются фотоэлектри­ческие торзиометры. Перед проволочными тензометрами они имеют то преимущество, что не нуждаются в токосъемном устройстве. Они обеспечивают бесконтактный съем сигнала с вращающегося вала. Принцип действия фотоэлектрического торзиометра показан на рис. 12.7. На испытуемом валу 1 укреплены два диска 2, имеющие прорези (окна) в радиальном направлении. Эти диски вращаются вместе с валом. Под действием момента нагрузки вал скручивает­ся и диски смещаются друг относительно друга на угол, пропор­циональный моменту и расстоянию между дисками. На неподвиж­ной части торзиометра расположены источник света 3 (лампа на­каливания) и два фотоприемника 4. Лампа помещена посередине между дисками, а фотоприемники расположены по обе стороны дисков. При отсутствии крутящего момента прорези правого и ле­вого дисков находятся на одной оси и световой поток одновременно попадает на оба фотоприемника. Следовательно, в этом случае фо-

готоки обоих приемников будут совпадать по фазе. При увеличении крутящего момента диски смещаются друг относительно друга и освещение фотоприемников будет происходить не одновременно, а со сдвигом во времени. Поэтому фототоки приемников 4 окажут­ся сдвинутыми по фазе. Количество прорезей на каждом диске и расстояние между ними обычно выбирают так, чтобы при макси­мальном крутящем моменте фазовый сдвиг между фототоками со­ставлял 180°. Измерительная цепь прибора осуществляет измере- ние фазового сдвига между тока­ми, или измерение времени между импульсами фототоков.

         В последнее время в качестве источников света для  фотоэлектри­ческих датчиков все чаще применя­ются не лампы накаливания, а све-тодиоды, имеющие большую на­дежность и очень малое потребле­ние электроэнергии для питания.

Вообще надо отметить, что сей­час очень быстро развивается опто-электронная техника, которая обе­спечивает как преобразование энер гии света в электроэнергию, так и обратное преобразование.

В ка­честве датчиков положения, определения качества поверхностей, для считывания графической информации начинают применяться отражательные оптроны.

Для высокоточных измерений малых перемещений используют фотоэлектрические датчики, у которых между источником света и фотоприемником помещаются диски или линейки из прозрачного материала с нанесенными на них непрозрачными штрихами. В на­стоящее время известны линейки, имеющие до тысячи штрихов на 1 мм длины. Поэтому даже при малом перемещении линейки воз­никает значительное изменение сигнала фотоприемника. Еще более высокую чувствительность можно получить с использованием двух линеек, штрихи одной из которых выполнены с небольшим накло­ном. При взаимном перемещении таких линеек возникает так на­зываемый «муаровый» эффект. При незначительном перемещении линеек появляются темные «муаровые» полосы и световой поток, падающий на фотоприемник, резко изменяется.

Во всех рассмотренных выше примерах са"й фототок не влиял на точность измерения или преобразования. Фотоприемники рабо­тали не в аналоговом, а в дискретном режиме. Такой режим позво­ляет иметь более простые конструкции и схемы приборов, так как не требуется обеспечить высокую стабильность светового потока и напряжения питания.

Однако фотоэлектрические датчики используются и в аналого­вом режиме, когда именно по значению фототока определяется из меряемая неэлектрическая величина. При измерении высоких тем­ператур (более 1000 °С) широкое распространение получили пиро­метры, использующие лучистую энергию тел, температура которых измеряется. С помощью фотоэлектрических датчиков построены яркостные пирометры и цветовые пирометры.

Фотоэлектрический яркостный пирометр основан на использо­вании зависимости между током  фотоэлемента и температурой Т источника излучения, освещающего фотоэлемент. Эта      зависимость       имеет вил       ,    где         коэф­фициент а       зависит       от

 чувстви­тельности фотоэлемента, а п — от его спектральной ха­рактеристики. Коэффициент п достигает 10—12 и может быть увеличен подбором соот­ветствующих светофильтров. При использовании в каче­стве фотоприемников фоторе­зисторов их включают в мос­товую схему (рис. 12.8). На фоторезистор ФР1 падает световои поток от контролируемого объекта. На фоторезистор ФР2 падает световой поток от лампочки накаливания.

При нарушении баланса моста напряжение с его измерительной диагонали пода­ется на усилитель, который питает лампу накаливания и изменя­ет ее накал таким образом, чтобы уменьшить разбаланс моста. Амперметр в цепи лампы накаливания может быть проградуиро-ван в единицах температуры. Градуировка проводится по показа­ниям образцового пирометра.

В основу работы фотоэлектрических цветовых пирометров по­ложено следующее физическое явление, называемое законом сме­щения. При нагреве тело излучает световой поток, где присутству­ют разные цвета, т. е. имеются электромагнитные колебания с раз­ными длинами волн. Однако каждой температуре соответствует определенная длина волны, на которой интенсивность излучения максимальна.

В цветовых пирометрах определяется отношение интенсивно-стей излучения данного тела в лучах двух заранее выбранных длин волн. Это отношение для каждой температуры будет различным, оно однозначно определяет температуру тела.

Бесплатная лекция: "3.1 Программный продукт PDM STEP Suite" также доступна.

На рис. 12.9 показана схема фотоэлектрического цветового пи­рометра. Излучение от объекта измерения А поступает на фото­элемент 1 через диск 2, в котором попеременно расположены крас­ные и синие светофильтры. Диск приводится во вращение с посто­янной скоростью электродвигателем 3. Таким образом, на фотоэлемент попеременно попадают то красные, то синие лучи. Син­хронно с вращением диска 2 усиленный сигнал с фотоэлемента переключается коммутатором 4, выделяющим два сигнала: соот­ветствующий интенсивности красных лучей и соответствующий ин­тенсивности синих лучей. Измеритель отношения сигналов (напри­мер, логометрического типа) проградуирован в единицах темпера­туры.

Представляет интерес использование фотоэлектрического дат­чика в измерителе влажности (психрометре). Влажность можно определить по так называемой «точке росы». Известно, что водя-

нои пар, имеющийся в газе, начинает конденсироваться (осаждать­ся в виде росы) при определенной температуре, зависящей от влажности. Для определения начала осаждения росы и служит фо­тодатчик. Луч осветителя падает на маленькое зеркальце и отра­жается на фотоприемник. Поверхность зеркальца может охлаж­даться и нагреваться системой терморегулирования, включаемой по сигналу фотодатчика. Если температура зеркала понижается до точки росы, то появляющийся на поверхности зеркала туман умень­шает световой поток, падающий на фотоприемник, и фототок резко уменьшается. Срабатывает реле, включающее нагреватель зерка­ла. Спустя некоторое время температура зеркала повысится, туман на нем исчезнет, фототок резко возрастет и сработает реле, вклю­чающее охладитель зеркала. Таким образом, температура заркаль-ца будет непрерывно колебаться относительно точки росы. Изме­ряя ее с помощью терморезистора или термопары, можно опреде­лить влажность.

Фотоэлектрические датчики применяют для измерения различ­ных неэлектрических величин. В машиностроении применяются фотоэлектрические датчики размеров деталей. С помощью оптиче­ских систем можно спроецировать контур маленькой детали на весьма большую площадь, что существенно повышает чувствитель­ность и точность измерения. В механических контактных датчиках для этого потребовались бы рычажные системы, которые бы оказы­вали силовое воздействие на деталь. А фотоэлектрический датчик не нагружает деталь. С его помощью можно контролировать раз­меры хрупких и непрочных деталей и узлов.

Применяются фотоэлектрические датчики для определения за-дымленности и загазованности при промышленных выбросах в ат мосферу, что очень важно для охраны природы и здоровья людей. Фотоэлектрические колориметры, блескомеры, нефелометры позво­ляют объективно оценить качество изготовления и отделки различ­ных изделий по их цвету, полировке, прозрачности соответственно. С помощью фотоэлектрических датчиков выполняется автоматиче­ское прочтение машинописных и рукописных буквенных и цифро­вых текстов.