17.1.4. Оптические преобразователи

Оптический преобразователь входной величины Х₁ или Х₂ (рис. 13) в выходную величину /содержит источник излуче­ния, характеризующийся потоком Ф₂, некоторый оптический канал и приемник излучения, воспринимающий поток Ф₂ на выходе канала и преобразующий его в выходной электрический сигнал I. Воздействие входной величины X на поток излучения Ф₂ может осуществляться двумя путями.

В первом случае измеряемая величина X воздействует непо­средственно на источник и изменяет тот или иной параметр излу­чения. Например, горящая сигнальная лампочка или светодиод свидетельствуют о включенном состоянии прибора. Во втором слу­чае измеряемая величина X воздействует на оптический канал, меняя непосредственно поток Ф₂. Например, по исчезновению

Рисунок 17.13 - Оптический преобразователь

потока Ф₂ при неизменном потоке Ф₁ можно судить о том, про­шел человек через турникет метро или нет.

По принципу кодирования информации фотодатчики можно разделить на две группы:

• с амплитудной модуляцией, когда значение фототока про­порционально световому потоку, зависящему от контролируемой величины;

• с временной или частотной модуляцией, когда фототок из­меняется дискретно за счет полного или частичного прерывания светового потока в результате воздействия контролируемой вели­чины, о значении которой судят по числу, частоте или длитель­ности импульсов фототока.

Оптическое излучение представляет собой электромагнитное излучение в диапазоне длин волн от 0,003 до 300 мкм, что соответствует частотному диапазону от Гц. Длины волн

X > 0,8 мкм соответствуют инфракрасному, тепловому излучению, X < 0,4 мкм — ультрафиолетовому излучению, 0,4 < X < 0,8 мкм — видимому диапазону.

Свет, как любое другое электромагнитное излучение, распро­страняется в веществе со скоростью , где — скорость света в вакууме; — оптическая плотность среды (по­казатель преломления). Для воздуха , скорость света в атмо­сфере практически совпадает со скоростью света в вакууме.

Источники оптического излучения бывают тепловыми и лю­минесцентными. В тепловых источниках в результате нагрева ве­щества часть тепловой энергии переводит атомы в возбужденное состояние, когда электроны переходят на внешние орбиты с боль­шей энергией. Возбужденное состояние является неустойчивым, так что через некоторое время электрон излучает избыток энер­гии в виде кванта света (фотона), переходя при этом на одну из внутренних орбит.

Тепловым источником является лампа накаливания, состоя­щая из цоколя с электродами, стеклянного баллона, напол­ненного инертным газом, и тела накала. Если лампа служит ис­точником излучения оптических преобразователей, то повышен­ные требования предъявляются к качеству стекла баллонов, к Расположению и форме теплым по величине и равномерным по яркости. Например, спи­раль (тело накала) свивается таким образом, чтобы ее витки накладывались друг на друга и казались сплошным светящимся кругом.

В люминесцентных источниках энергия возбуждения берется ато­мами из нетепловых источников. При электролюминесценции элек­троны, разогнанные до большой скорости в электрическом поле сталкиваются с атомами газа и возбуждают их. При катодолюминесценции разогнанные электроны возбуждают атомы твердого тела (люминесцентного слоя электронно-лучевых трубок). При фотолюминесценции атомы твердого тела поглощают кванты света, переходя в возбужденное состояние, после чего излучают кван­ты, но уже меньшей энергии и большей длины волны.

К люминесцентным источникам относятся газоразрядные лампы, светодиоды, оптические квантовые генераторы (лазеры). По­лупроводниковый светодиод — удобный миниатюрный источник света определенной частоты, яркость которого зависит от прохо­дящего через него тока. В качестве полупроводника используются арсенид галлия, фосфид галлия, карбид кремния, работающие при температурах не выше 70 °С.

Лазер является когерентным излучателем, т. е. все излучаемые кванты имеют одинаковую длину волны, фазу и поляризацию. Ла­зеры способны излучать остронаправленные интенсивные пучки света заданной длины волны. Это в свою очередь технически уп­рощает прием излучения (при параллельном пучке размер источ­ника совпадает с размером приемника), что позволяет передавать излучение на большие расстояния с малыми потерями.

На практике применяют в основном газовые (гелиево-неоновая смесь), твердотельные (рубин) и полупроводниковые (арсе­нид галлия, кремний с примесями индия, фосфид галлия) лазеры.

Для газовых лазеров угол расходимости составляет 10', для твер­дотельных — 20...30', для полупроводниковых — 6... 10°.

Наиболее широко распространены полупроводниковые лазе­ры в силу их сравнительной простоты и высокого КПД. Приемни­ки излучения можно разделить на две группы: тепловые и фото­электрические.

К тепловым приемникам относятся термоэлементы (рис. 14), в которых энергия излучения преобразуется в тепловую энергию на металлическом диске 2, покрытом слоем черни (черной краски) I, и оценивается термопарами 3 по температуре диска. Энергия излучения, поглощенная диском, рассеивается излучением, кон­вективным теплообменом с газом окружающей среды и тепло­проводностью через термопары. Для уменьшения конвекции и по­вышения чувствительности прибора преобразователь помещают в вакуум (кварцевый или стеклянный баллон с откачанным возду­хом). При снижении давления в баллоне до 10⁶ бар (нормальное

Рисунок 17.14 - Тепловой при­емник света: I — слой черни; 2 — диск; J — термопара

атмосферное давление составляет 1 бар, чувствительность возрастает более чем в 10 раз. Следует отметить, что приемник поглощает обычно энергию всех падаю­щих квантов, независимо от их длины вол­ны, т.е. выходная величина пропорцио­нальна интегральной, суммарной мощно­сти излучения, падающего на приемную площадку.

фотоэлектрические приемники (фотоэле­менты) используют явление фотоэффек­та: энергия квантов потока света поглоща­ется электронами твердого тела, в резуль­тате чего они покидают свои атомы. В элек­трическом поле освободившиеся электро­ны движутся упорядоченно, т. е. возникает электрический ток. Чем больше квантов нужной энергии упадет на поверхность эмиттера, тем больше электронов покинет атомы и тем больше будет фототок.

Фотоэлементы обычно способны поглощать кванты в узком диапазоне длин волн, и их выходная величина определяется мощ­ностью излучения на конкретной длине волны, характерной для данного фотоэлемента. Фотоэлементы с внешним фотоэффектом (рис. 15) (вакуумные и газозаполненные фотоэлементы и фото­умножители) используют эффект выбивания квантами света элек­тронов из катода 1, которые под действием электростатического поля устремляются к аноду 2, создавая фототок I. Катоды изготав­ливаются из щелочных металлов: лития, натрия, цезия, калия, рубидия. Напряжение между электродами составляет 70...300 В. Превращение светового потока в фототок практически безынер­ционно. Однако реактивное сопротивление цепей соединения снижает быстродействие при­бора до обычного для электро­преобразователей.

Рисунок 17.15 - Фотоэлемент с внешним фотоэффектом: 1 — катод; 2 — анод

При высокой яркости изме­ряемого потока происходит эф­фект усталости светочувстви­тельного слоя вследствие не­хватки электронов в атомах на поверхности, способных поки­нуть тело при поглощении фо­тонов. Если яркость света была не очень велика, то световая Чувствительность восстанавливается после пребывания фотоэлемента в темноте. В вакуумных фотоэлементах электроды помещены в вакуум для исключения влияния газа на движение выбитых фотонами электронов. Это делает линейной характеристику прибора (за­висимость фототока от яркости излучения).

В газонаполненных фотоэлементах электроны, выбитые фото­нами, ускоряются электрическим полем и, сталкиваясь с молеку­лами газа, ионизируют их, увеличивая тем самым число носите­лей зарядов и фототок в несколько раз (до 7) по сравнению с вакуумным фотоэлементом. Однако характеристика таких фото­элементов нелинейна. Кроме того, эти фотоэлементы инерцион­ны: фототок стабилизируется только через некоторое время после изменения интенсивности светового потока по мере стабилиза­ции газового разряда.

Газонаполненные фотоэлементы применяют для световых по­токов, меняющих свою интенсивность с частотой не выше сотен герц. В фотоумножителях (рис. 16) помимо катода К и анода А имеются вторичные катоды (эмиттеры) Э с системами фокуси­ровки электронного луча. Электроны, выбитые фотонами из като­да, ускоряются и при ударах о вторичные катоды Э выбивают дополнительные электроны так, что число электронов, уходящих с эмиттера, в 2 —4 раза больше числа электронов, упавших на него, а общий коэффициент усиления (отношение числа элект­ронов, упавших на анод, к числу электронов, вылетевших с като­да) в многокаскадных фотоумножителях достигает сотен тысяч.

Напряжение питания подводится к катоду, ко всем эмиттерам и аноду через делитель напряжения так, чтобы между смежными эмиттерами было напряжение,

Рисунок 17.16 - Фотоумножитель

обеспечивающее требуемый для вторичной электронной эмиссии разгон электронов.

Характеристика фотоумножителей линейна только при малых фототоках (1 мА). Так как электроды находятся в вакууме, фото-умножитель практически безынерционен.

Преимуществами фотоэлементов, использующих внешний фотоэффект, являются:

высокая чувствительность;

линейная характеристика;

высокая температурная стабильность характеристики.

К недостаткам этих фотодатчиков следует отнести:

высокое напряжение питания (сотни и тысячи вольт);

низкую механическую прочность (хрупкость стеклянного бал­лона, непрочность электродов);

старение и утомляемость фотоэлементов.

В полупроводниковых фоторезисторах, состоящих из полупро­водникового светочувствительного слоя толщиной около одного микрометра нанесенного на стеклянную или кварцевую пластин­ку, в полупроводнике (германий, индий, сернистый кадмий, сер­нистый свинец) под действием фотонов образуются пары элект­рон-дырка. Внешне это выглядит как уменьшение сопротивления резистора. В генераторных фотоэлементах (фотодиодах) помимо возникновения носителей зарядов под действием фотонов допол­нительно производится их разделение, так что на зажимах фото­элемента образуется фото ЭДС, являющаяся выходной величиной. Чувствительность полупроводниковых фотоэлементов зависит от длины волны фотонов: выпускаются фотодатчики для разных ди­апазонов спектра светового излучения.

Достоинствами полупроводниковых фотодатчиков являются:

высокая чувствительность;

линейная характеристика;

малая инерционность (контролируемая частота прерывания светового потока может достигать нескольких килогерц);

надежность и долговечность;

малые масса и габаритные размеры;

простота конструкции и использования, питание измеритель­ной цепи низким напряжением.

К недостаткам полупроводниковых фотодатчиков следует отнести:

высокую чувствительность показаний к температуре окружаю­щей среды;

утомляемость фотоэлемента.

В целом следует отметить универсальность фотодатчиков, отсут­ствие обратного воздействия датчика на контролируемый объект вследствие бесконтактности. Недостатками оптических датчиков является чувствительность к ударам и вибрациям, плохая работа в Условиях таких оптических помех, как запыленность, загазован­ность, высокая влажность, помехи от осветительных приборов об­щего освещения. В устройствах автоматики фотодатчики использу-

Рисунок 17.17 - Световод: 1 — стеклянная нить; 2 — вещество;3 — оболочка

ются в основном как дискрет­ные двухуровневые (есть/нет потока света), например, в уст­ройствах считывания перфолен­ты (есть/нет отверстия), фото­ реле, когда при попадании све­та на фотодатчик возникает ток, замыкающий реле (турникеты метро).

Все шире применяются в качестве источника и приемника излучения свето- и фотодиоды, способы включения которых в измерительные цепи детально разработаны, а в каче­стве канала передачи — волоконно-оптический световод (рис. 18), в котором гибкая тонкая (от нескольких микрон до нескольких миллиметров) прозрачная стеклянная нить 1 помещена в оболоч­ку из оптически менее плотного вещества 2 и в защитную оболоч­ку 3. Световой пучок подается на один торец световода.

Так как оптическая плотность световода выше плотности обо­лочки, а угол падения пучка на боковую поверхность световода близок к 90°, то происходит явление полного отражения света от поверхности. Свет распространяется вдоль искривленного волок­на, что позволяет проводить оптические измерения в труднодо­ступных местах и на больших расстояниях.

Фотоэлектрические датчики получили очень широкое распро­странение в системах автоматики. Наиболее часто они использу­ются в схемах релейного действия, где выдают сигнал «освещено» или «затемнено».

Фотореле состоит из источника и приемника излучения. Пос­ледний включен в цепь обмотки электромагнитного реле (напря­мую или через усилитель). При попадании светового потока на приемник в нем возникает ток, приводящий к срабатыванию элек­тромагнитного реле, управляющего каким-либо устройством. Та­кие фотореле используются для чтения перфоленты, на которой информация закодирована наличием или отсутствием отверстий в определенных местах. Перфолента протягивается сквозь ряд фо­тореле, и при наличии отверстий в ней в ЭВМ пойдут импульсы, соответствующие дорожкам перфоленты с отверстиями. Фотореле применяют для фиксации достижения предметом заданного по­ложения. Например, в автоматических устройствах защиты об­служивающего персонала от производственных травм фотодатчик при попадании руки рабочего в опасную зону выдает предупреди­тельный сигнал или выключает механизм. Линейку фотодиодов используют для определения размера детали: по числу диодов, затененных деталью, и по расстоянию между ними рассчитывает-

ся размер. Проецируя увеличенный контур детали на линейку, можно значительно повысить точность определения размера. Су­ществуют устройства определения шероховатости поверхности по интенсивности отраженного от поверхности светового потока.

Фотодатчики используются для контроля за перемещением суп­порта металлорежущих станков (рис. 18). Источник света направ­ляет полосу света на прозрачный диск, на который нанесена ко­довая шкала с прозрачными и непрозрачными участками. За дис­ком расположена линейка фотодиодов. Каждому кодовому кольцу

Рисунок 17.18 - Фотоэлектрический датчик угла поворота

диска соответствует один двоичный разряд числа, кодирующего угол поворота. Сигналы с фотоэлементов попадают на логичес­кую схему контроля поворота диска (выходом является код угла поворота, т.е. это абсолютный датчик положения). Инкремент-ный датчик положения построен аналогично, но имеет всего один фотодатчик и подвижную прозрачную линейку или диск с нане­сенными на них непрозрачными штрихами (до тысячи штрихов на 1 мм). При перемещении линейки или повороте диска фото­элемент выдает импульсы, а логическая схема их считает.

В рассмотренных примерах использовался дискретный фото­датчик. Однако существуют и аналоговые датчики. Например, для измерения температур более 1500 К широко применяются ярко-стные пирометры, в которых температура или цвет источника света кодируется током через фотоэлемент.