Приемники излучения

Приемник излучения (ПИ) – устройство, предназначенное для преобразо­вания оптического излучения в электрический сигнал. Кроме того ПИ может выполнять функции анализа размеров изображения, определения его координат и других параметров. В качестве приемников излучения используют электрова­куумные и полупроводниковые приборы.

Фотоэмиссионные приемники бывают вакуумные и газонаполненные. Принцип работы основан на эмиссии электронов под действием падающего из­лучения. На рис. 1.75, а, б и в показаны устройство, схема включения и характеристики фотоэлемента (ФЭ).

В стеклянном баллоне 1 фотоэлемента размещены два электрода. Катод 2 нанесен на внутреннюю поверхность баллона тонким светочувствительным слоем. Анод 3 выполнен в форме кольца, сетки или диска, электроды имеют выводы 4 и 5. При определенном значении анодного напряжения U_A и светово­го потока Ф наступает режим насыщения. Недостатком фотоэлемента является малый ток фотоэмиссии I_ф. Для устранения этого недостатка разработаны фото­электронные умножители

Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) представляет собой электроваку­умный прибор, в котором фототок катода усиливается посредством вторичной эмиссии с дополнительных электродов -динодов. С целью повышения чувст­вительности ФЭУ изготавливают многоступенчатым, как показано на рис. 1.76. Многоступенчатый ФЭУ кроме катода К и анода А имеет умножительную сис­тему динодов Д1–Дn и электронно-оптическую систему ФС. Световой поток Ф, попадая на фотокатод К, вызывает фотоэмиссию электронов, которые фоку­сируются электронно-оптической системой ФС на динод Д1, выбивая из него вторичный поток электронов. На каждый последующий динод подаётся все бо­лее высокий потенциал. С последнего динода Дn усиленный поток электронов поступает на анод А. Многоступенчатый ФЭУ позволяет регистрировать слабые сигналы светового потока Ф_ν=10^-13лм.

К недостаткам ФЭУ следует отнести необходимость иметь высокое ста­билизированное питающее напряжение в сотни вольт и большие габариты.

В настоящее время широко применяются полупроводниковые фотоэлек­трические приборы: фоторезисторы (ФС); фотодиоды (ФД); фототранзисторы (ФТ); фототиристоры (ФТР).

Фоторезистор – это полупроводниковый прибор, электрическое сопро­тивление которого изменяется в зависимости от интенсивности и спектрального состава воздействующего на него светового потока. Фоторезистор представлен на рис. 1.77. Светочувствительным элементом ФС является полупроводник 1 на основе кадмия Cd, германия Ge или кремния 57, напыленный на подложку 2. По периметру полупроводника расположены контакты 3. Недостатки ФС – повышенная инерционность, нелинейность характеристики и зависимость от температуры.

Фотодиод – это двухэлектродный полупроводниковый прибор с одним p-n-переходом (рис. 1.78). Фотодиоды включают в обратном направлении, если нет освещения, фотодиод аналогичен обычному диоду.

При освещении прибора образуются пары носителей заряда (электронов и дырок), что ведет к увеличению обратного тока. Световая характеристика фо­тодиода линейна в большом диапазоне светового потока. Интегральная токовая чувствительность около 15 мА/Вт. Граничная частота быстродействующих фотодиодов составляет 10⁷ Гц. Фотодиоды можно использовать также в гальвани­ческом (вентильном) режиме: при U = 0 фотодиод преобразует световой поток в электрическую энергию, э.д.с. которой составляет около 0,6 В.

Фототранзистор – это полупроводниковый прибор с двумя р-n-переходами. Ток фототранзистора возрастает под воздействием подвижных но­сителей заряда, образующихся при освещении прибора (рис. 1.79). В качестве фотоприемника фототранзистор включают в схему с общим эмиттером, остав­ляя вывод базы Б свободным. При освещении базы в ней происходит генерация носителей заряда, создающих фототок в коллекторном переходе. В отличие от фотодиода в фототранзисторе появляется инжекция электронов из эмиттера в базу и ток транзистора в В+1 раз больше собственного обратного тока (В – ин­тегральный коэффициент передачи тока базы, В ≈ 1000). В результате инте­гральная чувствительность фототранзистора примерно в тысячу раз больше фо­тодиода и достигает нескольких ампер на один люмен.

Включение фототранзистора без вывода базы применяют при больших световых потоках, обычно на вывод базы подают напряжение температурной стабилизации. Диапазон частот составляет от нескольких килогерц до мегагерц.

Фототиристор – полупроводниковый приемник излучения с тремя и бо­лее p-n-переходами, включение которого управляется световым потоком. По сравнению с другими фотоприемниками фототиристоры имеют следующие преимущества: более высокую чувствительность по сравнению с фотодиодами и фототранзисторами; наличие управляющего электрода позволяет осуществ­лять наряду со световым электрическое управление работой схемы.

Источник излучения и приемник, имеющие между собой оптическую связь, конструктивно могут быть объединены в единый прибор – оптрон. В источнике излучения электрические сигналы преобразуются в оптические, воз­действующие на фотоприемник и создающие в нем снова электрические сигна­лы. Таким образом, связь между входом и выходом осуществляется оптически­ми сигналами. Цепь излучателя является управляющей, а цепь фотоприемника – управляемой. Если оптрон имеет только один излучатель и один приемник, то его называют оптопарой.

Оптроны имеют ряд существенных особенностей: отсутствие электриче­ской связи между входом и выходом; широкая полоса частот до 10¹⁴ Гц; воз­можность управления выходным сигналом путем воздействия на оптический канал; высокая помехозащищенность оптического канала от внешних электро­магнитных полей.

Конструктивно оптроны производят с закрытым или откры­тым оптическим каналом (рис. 1.80).

В оптронах с закрытым каналом (рис. 1.80, а) передающей средой могут быть воздушный или газовый промежуток, стекло, полимерный оптический лак и волоконные световоды. С помощью волоконного световода можно размес­тить приемник на значительном расстоянии от излучателя. Закрытые оптроны используются в качестве ключевых и аналоговых элементов, для гальваниче­ской развязки электрических схем, для коммутации больших токов и напряже­ний и в качестве реле.

Особую конструкцию имеют оптопары с открытым оптическим каналом. Как вариант между излучателем и приемником имеется воздушный зазор, в ко­тором может перемещаться объект, управляя потоком излучения (рис. 1.80, б). В качестве объекта может быть перфолента или вращающийся диск с прорезя­ми. В другом варианте оптопары с открытым каналом световой поток излучате­ля попадает на фотоприемник, отражаясь от объекта, что позволяет определять положение объекта или идентифицировать (определять, различать) объект по каким-либо признакам, например по штрих-коду.

Многоэлементные приемники излучения можно разделить на приемники с полной электрической развязкой отдельных чувствительных элементов – коор­динатные приемники излучения (КПИ) и на приемники с внутренними электрическими связями – приборы с зарядовой связью (ПЗС). КПИ позволяют осуществить произвольную координатную выборку отдельных элементов. Раз­меры отдельного элемента составляют несколько десятков микрометров, а их число может быть от нескольких десятков до нескольких тысяч. Частота считы­вания сигнала достигает 1 кГц.

10.8. Оптико-электронные системы измерения

температуры (ОЭСИТ)

Развитие средств технического диагностирования во многом определяет­ся возможностью бесконтактного измерения температуры частей машин и ме­ханизмов в процессе их функционирования. Техническое состояние подшипни­ков, гасителей колебаний, теплоизоляции кузова, электрических машин и аппа­ратов других механизмов определяется температурой или перегревом их рабо­чих частей. Бесконтактное измерение температуры возможно с помощью ОЭСИТ. ОЭСИТ позволяют измерять температуру путем анализа потока теп­лового излучения от объекта.

Основные законы теплового излучения.

Закон Планка описывает распределение энергии излучения абсолютно черного тела при температуре Т по спектру длин волн λ:

, (1.113)

где С₁ =3,741510^-16 Вт-м²; С₂=1,43879·10^-2м·К.

Закон Стефана – Больцмана описывает энергетическую светимость для полного спектра излучения:

, (1.114)

где σ =5,66971·10^-8Вт·м^-2·К^-4 – постоянная Стефана-Больцмана.

Закон Голицына – Вина определяет длину волны для максимальной энергии излучения λ_max = 3000/Т, так как максимум излучения сдвигается влево, его еще называют законом смещения. Кроме того, для коротковолновой зоны имеем.

, (1.115)

обозначив у = λ/λ_max ; х = Me/Me_max получим удобную для практиче­ского использования единую изотермическую кривую, которая приведена на рис. 1.81.

В аппаратуре теплового контроля букс для измерения температуры букс используют высокочувствительный приемник инфракрасного излучения боло­метр – рис. 1.82.

Принцип действия болометра основан на изменении электрического сопротивления чувствительного элемента (терморезисторного элемента) под воздействием энергии ИК-излучения.

Болометр совмещает приемник ИК – излучения оптическую систему. Конструкция болометра показана на рис. 1.82, а.

Линза 5 болометра, изготовленная из германия, впаяна в держатель 3, который крепится к основанию 7 при помощи тугой посадки. Таким же образом ос­нование крепится в цоколе 9. Держатель линзы, основание и цо­коль установлены в цилиндрическом корпусе 2. Герметичность внутренней полости болометра обеспечивается за счет применения сварного соединения торцов держателя линзы и цоколя с корпусом. Внутри корпуса болометра размешаются основной 4 и компенсационный 6 терморезисторные элементы толщиной 10 мкм, подключенные к выводам 10. Терморезисторные элементы включены по схеме дели­теля напряжения (рис. 1.82, б) и питаются от специального источника питания (±15 В). Выводы болометра монтируются в цоколе на изоляторах 8 (см. рис. 1.82). Для защиты стеклянных изоляторов от влаги цоколь заливается специальным компаундом 1.

При отсутствии освещения инфракрасными лучами (ИК-излучение) мост сбалансирован. При кратковременном освещении терморезистор R_А нагревается, мост разбалансируется, и в измерительную систему аппаратуры поступает сигнал.

Основными рабочими параметрами болометра являются угол поля зрения оптики и постоянная времени. Постоянная времени характеризует временной интервал от начала облучения прием­ника до момента достижения выходным напряжением уровня 0,63 от установившегося значения. Меньшая величина постоянной времени обеспечивает постоянство выходного напряжения при более высоких скоростях движения поезда. В табл. 1.11 приведены значе­ния рабочих параметров для болометров старого (БП-1) и нового (БП-2, БП-2М) типов.

Таблица 1.11

Рабочие параметры болометров

Конструкция болометра и рабочие параметры оптической си­стемы обеспечивают небольшой диаметр поля обзора корпуса буксового узла, что исключает прием ИК-излучения от посто­ронних деталей подвижного состава. Максимальное расстояние, на котором болометр уверенно фиксирует температуру нагретых элементов, составляет 2 м.