Характеристики фотоприемников

Фотоэлектрический преобразователь пирометра должен воспроизводить распределение температуры по поверхности лопатки, перемещающейся с высокой скоростью достигающей 500 м/сек.

К фотоприемнику (ФП) предъявляются следующие требования:

– высокая чувствительность;

– малая постоянная времени;

– работоспособность при высоких температурах окружающей

среды (до +100 °С);

– работоспособность при больших вибрациях перегрузках;

малые габариты.

Для выбора оптимального типа фотоприемника необходим анализ его характеристик.

Вольт-амперная характеристика отражает зависимость тока проходящего в цепи фотоприемника от приложенного напряжения.

Световой ток определяется как:

I=Iт+Iф,

где Iт-темновой ток в отсутствии освящения; Iф-фототок;

Спектральная характеристика определяет реакцию фотоприемника на воздействие излучения различной длинной волны. Она определяет спектральную область применения приемника, а так же его спектральную и интегральную чувствительности. Энергетическая (световая) характеристика отражает зависимость фотосвета от интенсивности возбуждающего потокоизлучения.

Температурные характеристики определяют зависимость ряда параметров (темновой ток, чувствительность и др.) от температуры окружающей среды (ΔТ°, ΔIвх).

Пороговые характеристики описывают способность фотоприемника реагировать на световые сигналы слабой интенсивности.

Частотные характеристики определяют зависимость фоточувствительности от частоты модуляции света. Они являются характеристикой инерционности фотоприемника.

Важными свойствами фотоприемников являются: стабильность - способность сохранять фотоэлектрические параметры в определенных пределах в течение заданного времени и долговечность - способность длительной работы в определенных условиях.

Выходной сигнал пирометра во многом зависит от типа фотоприемника, применяемого в фотоэлектрическом преобразователе. Фотоприемники основанные на внешнем фотоэффекте и тепловые приемники имеют высокую восприимчивость к изменению температуры окружающей среды, вибрациям (микрофонный эффект), большую постоянную времени, малую надежность, значительные габариты.

Фоторезисторы являются наиболее простым типом приемников излучения. Их действие основано на явлении фотопроводимости. Недостатками фоторезисторов являются значительная инерционность, температурная и временная нестабильность характеристик.

Фотодиоды являются более быстродействующими фотоприемниками и применяются для регистрации излучения, модулированного по интенсивности. В настоящее время основными материалами фотодиодов являются германий и кремний. Обратный ток кремниевых p-n переходов много меньше, чем германиевых, поэтому порог чувствительности кремниевых фотодиодов соответственно меньше. Достоинством кремниевых фотодиодов является также широкий интервал рабочих температур. Они имеют высокую чувствительность, малую постоянную времени, большую надежность, небольшие габариты.

На рисунке 7.8 представлена относительная спектральная чувствительность некоторых фотодиодов из различных материалов и распределение интенсивности излучения продуктов сгорания топлива по спектру.

а) (б)

Рис. 7.8. Спектральные характеристики фотодиодов (а) и продуктов сгорания (б)

Рассматривая распределение интенсивности излучения продуктов сгорания топлива по спектру, видно что в диапазоне длин волн 0.5–0.95 мкм существует окно, где влияние продуктов сгорания минимально. Этому диапазону длин волн соответствует спектральная чувствительность фотодиода на основе кремния.

Вольт-амперную характеристику фотодиода при освящении можно записать в виде:

,

где – Iнас-ток насыщения, А; – Iф-фототок, А; –U- напряжение на нагрузке, В; – -температурный потенциал, В.

Фотодиод, как фотоприемник, может применяться в трех режимах:

– фотодиодном, когда фотодиод работает при обратном напряжении смещения;

– режим короткого замыкания, когда U=0;

– режиме, когда I=0.

Для режима короткого замыкания характерна линейная зависимость между фототоком и мощностью оптического излучения.

Рассматривая динамические и статические характеристики фотодиодов можно сделать вывод, что наиболее предпочтительный режим работы фотодиода для измерения температуры лопаток -это режим короткого замыкания. В этом случаи обеспечивается минимальная инерционность, устраняется температурная погрешность.