Теоретичні відомості. Для контролю технологічних процесів на виробництві та під час наукових досліджень користуються вимірюваннями електричних і неелектричних величин

Для контролю технологічних процесів на виробництві та під час наукових досліджень користуються вимірюваннями електричних і неелектричних величин. При цьому різновидів електричних приладів для вимірювання неелектричних величин значно більше, ніж для вимірювання електричних.

Швидкість обертання та кутове прискорення машин, пристроїв та агрегатів є важливими характеристиками досліджуваного об’єкта. Нерідко вони визначають динамічні та теплові напруження в машинах. Технічні тахометри, наприклад, забезпечують похибку вимірювання в 1,5...2 %, а при вимірюванні швидкості обертання в енергетичних установках ця похибка не повинна перевищувати 0,3…0,5 %.

Швидкість обертання визначається кількістю обертів за хвилину n (об/хв), що зв’язана з частотою обертання (Гц), як:

(1.1)

Найпоширенішими є такі методи вимірювання частоти обертання: відцентрові механічні, в яких чутливий елемент реагує на відцентрову силу, що розвивається неврівноваженими масами рухомого вала, електричні – постійного, змінного та імпульсного струму, основані на залежності генерованої напруги від частоти обертання, а для змінного та імпульсного струму – залежності частоти струму від частоти обертання; магнітоіндукційні, основані на залежності наведених у металевому тілі вихрових струмів від частоти обертання; індукційні, основані на законі електромагнітної індукції; фотоелектричні – на модуляції світлового потоку елементами, що обертаються; стробоскопічні та інші.

Особливої уваги заслуговують імпульсні перетворювачі, які перетворюють кутову швидкість (деякі – кутове прискорення, кут повороту та лінійне переміщення) в імпульсний електричний сигнал. Таким перетворювачам властиві мізерно мале споживання енергії від об’єкта вимірювання, незначні статичні та динамічні похибки, висока чутливість, сумісність з цифровими приладами та системами.

Широкого застосування набули фотоелектричні імпульсні перетворювачі, робота яких ґрунтується на явищі внутрішнього (фоторезистор, фотодіод) та зовнішнього (фотоелемент, фотоелектронний помножувач) фотоефекту.

Розглянемо найпростіші оптичні перетворювачі, які набули широкого застосування в конструкціях імпульсних оптичних перетворювачів.

Фоторезистор. Чутливим елементом фоторезистора є тонкий прошарок напівпровідникового матеріалу, розміщений на діелектричній підкладці (див. рис. 1 а). При вмиканні фоторезистора в електричне коло (див. рис. 1 б) за відсутності світла в колі протікає темновий струм

, (1.2)

де – постійний коефіцієнт;

– темнова провідність напівпровідника;

– напруга.

Під впливом оптичного випромінювання провідність світлочутливого прошарку зростає і струм у колі збільшується до значення:

, (1.3)

де – фотопровідність напівпровідника.

а) б)

Рис. 1. Будова (а) та схема вмикання (б) фоторезистора:

1 – напівпровідниковий прошарок;

2 – прозора діелектрична підкладка; 3 – електроди

У видимій ділянці спектра широко використовуються фоторезистори, виготовлені з сірчистого кадмію (CdS), фотопровідність якого у 10⁵ – 10⁶ разів перевищує темнову провідність.

В інфрачервоній ділянці спектра широко використовуються фоторезистори з сірчистого свинцю (PbS), а також інші напівпровідникові матеріали.

Фотодіод має будову звичайного напівпровідникового діоду, в якому забезпечується можливість впливу оптичного випромінювання на р-n - перехід (див. рис. 2).

Рис. 2. Будова фотодіода:

1 – напівпровідник n -типу, прозорий для оптичного випромінювання;

2 – напівпровідник p -типу; 3 – запірний шар; 4 – електроди

Контакт напівпровідника n -типу 1 з напівпровідником р -типу 2 утворює р-n - перехід 3, який характеризується електричним полем запірного шару Е_зш.

При освітлині фотодіоду в р-n -переході генеруються електронно - діркові пари внаслідок поглинання світла в ньому. Електричне поле запірного шару 3, розділяючи генеровані світлом електронно - діркові пари, утворює різницю потенціалів між електродами 4 фотодіода.

Працюючи в фотогальванічному режимі (див. рис. 3), фотодіод є генератором фото- ЕРС. При цьому джерело зовнішньої напруги відсутнє.

Рис. 3. Схема вмикання фотодіода в фотогальванічному режимі

У фотодіодному режимі роботи (див. рис. 4) послідовно з фотодіодом під’єднується джерело зворотної напруги.

Рис. 4. Вмикання фотодіода в фотодіодному режимі

Основними фотодіодними конструкціями, перспективними для використання в оптоелектронних приладах, є кремнієві р-і-n - структури, контакт метал-напівпровідник (бар’єр Шоткі) і гетеропереходи.

Основний недолік діодних структур – низька чутливість – усувається у фотоприймачах із внутрішнім підсиленням: фототранзисторах, фототиристорах, інтегральних фотоприймачах.

Схема фотоелектричного імпульсного перетворювача, первинним перетворювачем якого є фотодіод, зображена на рисунку 5.

Рис. 5. Схема імпульсного фотоелектричного перетворювача

Основними елементами перетворювача є: джерело світла (лампа розжарювання, світлодіод) 1 та фотоелектричний пристрій (фоторезистор, фотодіод і т.ін.) 2, розміщені на прямій по різні боки модулятора 3. Модулятор у вигляді диска з N - отворами закріплюється на валу. Обертання вала разом із модулятором призводить до модуляції світлового потоку, який, падаючи на фотодіод, утворює модульований електричний сигнал складної амплітудно-часової форми. У подальшому він подається на блок формувача прямокутних імпульсів.

При обертанні диска з швидкістю n (об/хв) на виході формувача імпульсів матимемо N n імпульсів за 1 хвилину. Відповідно частота імпульсів , Гц, тобто кількість імпульсів за 1 с буде рівною

(1.4)

Оскільки даний модулятор має N = 36 отворів, розташованих через кожні 10^о по довжині кола, то

(1.5)

Вихідний сигнал перетворювача можна спостерігати на екрані осцилографа. Частота його визначається осцилографічним методом або за допомогою частотоміра.

У лабораторній роботі електричний сигнал досліджується за допомогою електронного осцилографа. Осцилографічний метод дає можливість визначити період Т електричного сигналу.

Знаючи період Т₀ електричного сигналу, одержаного за допомогою оптичного перетворювача, легко визначити:

‒ частоту електричних сигналів , Гц:

(1.6)

‒ період обертання вала Т_во, с:

(1.7)

‒ частоту обертання валу , Гц:

(1.8)

‒ кутову швидкість вала , рад/с:

(1.9)

‒ швидкість обертання вала , виражену в несистемних одиницях – обертах за хвилину, об/хв:

(1.10)