Раздел 1. Фотоэлектрические преобразователи

Фотоэлектрическими называются такие преобразователи, у которых величина выходного сигнала изменяется в зависи­мости от величины светового потока, падающего на преобра­зователь.

Явление фотоэффекта было открыто русским ученым А.Г. Столетовым в 1888 г.

Фотоэлектрические преобразователи или, как мы будем их называть в дальнейшем, фотоэлементы делятся на три типа:

a) фотоэлементы с внешним фотоэффектом;

b) вентильные фотоэлементы;

c) фотоэлементы с внутренним фотоэффектом (фотосо­противления).

Работу фотоэлементов можно оценить по следующим ха­рактеристикам.

1. Световая характеристика, отображающая зависимость фототока от интенсивности светового потока, падающего на фотоэлемент I_ф = f(E).

2. Спектральная характеристика, т. е. зависимость фотото­ка от длины волны световых лучей I_ф = f(l).

3. Частотная (инерционная) характеристика, т. е. зависи­мость фототока от частоты изменения интенсивности падаю­щего светового потока I_ф = f(f_n)

4. Вольтамперная характеристика, т. е. зависимость фото­тока от напряжения I_ф = f(U).

5. Температурная характеристика, т. е. изменение фото­тока от температуры фотоэлемента I_ф = f(t°). Однако от из­менения температуры зависит и спектральная характеристика фотоэлемента.

6. Усталость фотоэлемента, которая выражается в измене­нии характеристик фотоэлементов в зависимости от времени его работы.

Рассмотрим отдельные типы фотоэлементов с точки зре­ния их характеристик:

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом представляют со­бой вакуумную или газонаполненную лампу, катод которой испускает электроны под действием светового потока.

При изменении освещенности фотоэлемента, включенного в электрическую цепь, изменяется соответственно фототок в этой цепи.

К газонаполненным фотоэлементам относятся, например, кислородно-цезиевые типа ЦГ; к вакуумным — кислородно-цезиевые типа ЦВ и сурьмяно-цезиевые типа СЦВ.

Эти фотоэлементы, как правило, требуют применения усилителей, так как их мощность очень мала.

Световая и приведенная вольтамперная характеристики фотоэлементов различных типов приведены на рис.4.6 и4.7.

Рис. 4.6. Вольтамперная характеристика газонаполненного фотоэлемента: 1 – кислородно-цезиевого типа ЦГ; 2 – сурьмяно-цезиевого типа СЦВ; 3 – вакуумного типа ЦВ

Как видно из световых характеристик, пропорциональ­ность между фототоком и световым потоком сохраняется не на всем протяжении кривых (см. утолщенные линии), что важно для получения линейной шкалы изме­рительного прибора.

Чувствительность газонаполненных фотоэлементов значительно выше вакуумных и составляет 100…250 мкА/лм.

а) б)

Рис 4.7.Вольтамперные характеристики вакуумного фотоэлемента:

а) сурьмяно-цезиевые типа СЦВ, б) кислородно-цезиевые типа ЦГ;

В практике большее применение получили вакуумные фо­тоэлементы, имеющие бесспорные преимущества перед газо­наполненными:

1) независимость в определенном диапазоне от питающего напряжения;

2) большая температурная устойчивость;

3) меньшая утомляемость;

4) меньшая инерционность (практически вакуумные фото­элементы считаются безинерционными).

Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом представляют собой полупроводники, например, типов ФСД (селенид кад­мия) и ФСК (сернисто-кадмиевые), которые под действием светового потока изменяют свое сопротивление.

Из многих типов фотоэлементов в настоящее время основ­ное распространение получили сернисто-кадмиевые фотосо­противления, главным образом, типа ФСК. Эти сопротивле­ния обладают высокой удельной чувствительностью (до 7000 мкА/мкВ), что в некоторых случаях дает возможность обойтись без усилителей, низким температурным коэффициентом , допускают сравнительно большую мощность рассеивания (0,6 - 0,7 Вт), имеют практически неограниченный срок службы и достаточно стабильны. К недо­статкам этих фотоэлементов можно отнести значительную инерционность и сравнительно высокий уровень шумов.

Из вентильных фотоэлементов наибольшее распростране­ние получили селеновые и сернисто-серебряные. Эти фотоэле­менты обладают тем свойством, что под действием лучистой энергии они становятся источниками тока. По этому признаку их можно было бы отнести к генераторным преобразовате­лям, однако, чтобы не разбивать группу фотоэлектрических преобразователей, считаем целесообразным рассмотреть и их в данном разделе.

Вентильные фотоэлементы применяются обычно, когда преобразователи работают без дополнительных усилителей на чувствительные приборы. Это объясняется тем, что применение электронных усилителей, требующих для своей работы дополнительного питания, свело бы на нет преимущество вен­тильных фотоэлементов как источников тока. К тому же чувствительность вентильных фотоэлементов во многих прак­тических случаях вполне позволяет обойтись без усиления фототоков.

В настоящее время большое распространение получили кремниевые фотоэлементы. Их чувствительность достигает 7000 мкА/лм. Они практически безинерционны (t=10^-6с), стабильны и имеют низкий уровень шумов.

Ток на выходе преобразователя с вентильным фотоэлемен­том на линейном участке характеристики (рис. 4.8)

где S_ф - чувствительность фотоэлементов (с учетом наг­рузки);

Ф - световой поток.

Рис.4.8. Вольтамперная характеристика кремниевого фотоэлемента

Применение. Фотоэлектрические преобразователи нашли в настоящее время широкое применение для измерения различных неэлек­трических величин особенно в системах автоматического конт­роля и регулирования. С помощью фотоэлементов можно про­изводить измерение температуры тела, качества поверхности, скорости вращения, концентрации растворов и т.д.

Фотоэлементы используются в следующих приборах: фотоэлектрические тахометры, нефелометры, фотоэлектрические расходомеры и др.

Рассмотрим несколько случаев применения фо­тоэлементов.

Фотоэлектрические тахометры

Принцип действия фотоэлектрических тахометров состоит в измерении частоты переменного тока фотоэлемента, осве­щенного световым потоком, модулированным вращающимся объектом измерения.

На рис. 4.9 изображен принцип использования фотоэлемен­та для измерения угловой скорости вращения w_х вала. Здесь прерывание светового потока, падающего на фотоэлемент Ф от источника питания Л₁, осуществляется с помощью диска D с прорезями, который вращается вместе с валом.

Рис. 4.9. Схема измерения угловой скорости вращения вала.

Счетчик HL регистрируют чис­ло затемнений фотоэлемента, которое является функцией ско­рости вращения вала.

Нефелометры. Фотоэлектрические приборы, измеряющие мутность раство­ров, называются нефелометрами. На рис. 4.10 показана опти­ческая схема прибора для контроля мутности исследуемой среды ИС методом сравнения с образцовой средой ОС.

Рис. 4.10.. Схема прибора для контроля мутности растворов.

Свет от источника Л при помощи зеркал З₁ и З₂ и линз Л₁, Л₂, Л₃ и Л₄ направляется через кювету с испытуемым раствором на фотосопротивление ФС₁ и через образцовую среду - на фотосопротивление ФС₂. Д₁ и Д₂ - диафрагмы, регулирующие освещенность фотосопротивлений. Во время измерений величина сопротивления ФС₂ остается неизмен­ной, величина же ФС₁ изменяется в зависимости от большего или меньшего поглощения светового потока исследуемой средой.

При изменении сопротивления ФС₁, т. е. при увеличении мутности раствора ИС, в схему управления поступает сигнал о нарушении режима или управляющий импульс для приве­дения в действие регулирующего органа.

Рис. 4.11. Фотоэлектрический нефелометр НФО

Нефелометр (рис. 4.11) предназначен для измерения коэффициентов яркости в направлениях, составляющих углы 45°, 90° и 135° с направлением освещающего пучка, а также для измерения коэффициентов пропускания и оптической плотности рассеивающих сред.

С помощью нефелометра можно определить концентрацию твердого или жидкого вещества, взвешенного в жидкости, и концентрации коллоидных растворов после соответствующей градуировки нефелометра по растворам с известной концентрацией, произведенной потребителем.
Применяется в химической, пищевой, фармацевтической промышленности, в научно-исследовательских институтах и клинических лабораториях.

Достоинства:

- обработка результатов измерения осуществляется микроЭВМ;

- результаты измерения коэффициентов яркости, коэффициентов пропускания, оптической плотности, концентрации, отношения коэффициентов яркости на различных углах выводятся на цифровое табло в единицах измеряемой величины;

- в приборе предусмотрено термопечатающее устройство.

Технические характеристики:

1. Диапазон измеряемых коэффициентов яркости 1·10 - 4 до 1

2. Диапазон измеряемых оптических плотностей 0 - 1,5

3. Предел допускаемой основной абсолютной погрешности при измерении коэффициента пропускания в диапазоне от 3 до 100%, не более 1%

4. Спектральный диапазон 400-980 нм

5. Предел допускаемой основной относительной погрешности при измерении коэффициента яркости, не более ± 10%

6. Потребляемая мощность, не более 90 Вт

7. Габаритные размеры 600х450х180 мм

8. Масса 20 кг

Погрешности фотоэлектрических преобразователей: схемы с усилителями постоянного тока очень чувствительны к помехам и к нестабильности напряжения источника питания. Это вызывает большие погрешности измерения.

Кроме того, источниками погрешностей измерения явля­ются:

1) нестабильность напряжения источников питания фото­элемента;

2) нестабильность напряжения питания источников света, так как от напряжения зависит величина светового потока;

3) изменение характеристики фотоэлементов во времени.

Для исключения этих погрешностей применяют дифференциальные фотоэлектрические преобразователи. Наилучший результат дает применение дифференциальных преобразователей в нулевом режиме метода сравнения.