Файл: Измерительные преобразователи может понадобится.doc

Характеристики фотоприемников.

Монохроматическая чувствительность – отношение приращения фототока к изменению плотности монохроматического потока с длиной волны λ, а именно: в микрометрах на ватт.

Спектральная характеристика фотоприемника – зависимость . Практически чаще используется относительная спектральная характеристика – зависимость , где - максимальное значение монохроматической чувствительности.

Интегральная чувствительность – отношение приращения величины фототока к изменению спектральной плотности лучистого потока, а именно: .

Фотоприемники, предназначенные для работы в видимой области спектра, характеризуются интегральной световой чувствительностью: .

Где - относительная спектральная чувствительность глаза (Кλ = 1 при λ = 0,555 мкм)

Vλ - спектральная чувствительность глаза, отражающая реакцию человеческого глаза на свет видимой части спектра.

Вольт – амперная характеристика – зависимость фототока от напряжения питания, приложенного к фотоприемнику при постоянном значении светового потока.

Световая характеристика – зависимость фототока от значения светового потока неизменного спектрального состава – характеризует нелинейность фотоприемника.

Постоянная времени – определяет быстродействие фотоприемника и возможность измерения светового потока переменной интенсивности.

Порог чувствительности – минимальное значение потока излучения, которое вызывает на выходе фотоприемника сигнал, в заданное число (m) раз превышающий уровень шума. Т. к. уровень шума обычно задается дисперсией , порог чувствительности определяется формулой: .

Фоторезистором называют полупроводниковый прибор, сопротивление которого меняется под действием света. Принцип действия фоторезистора основан на внутреннем фотоэффекте, который заключается в перераспределении электронов по энергетическим состояниям, происходящем в конденсированных средах при поглощении света. Толщина рабочего тела фоторезистора обычно соизмерима с глубиной проникновения света в полупроводник. Для обеспечения необходимой механической прочности служит подложка из материала с хорошими диэлектрическими свойствами.

Характеристики фоторезисторов (темновое сопротивление, чувствительность, инерционность) сильно зависят от температуры. Темновое сопротивление и чувствительность с ростом температуры уменьшаются, а постоянная времени увеличивается. Для большинства фоторезисторов допустимый температурный диапазон составляет от -60 до +60ºС.

Зависимость темнового сопротивления от температу­ры называют температурной характеристикой фоторезистора.

Инерционность фоторезистора характери­зуют постоянной времени—временем, в те­чение которого фототок при освещении или затемнении фоторезистора изменяется в е раз. Измерение постоянной времени делается при определенных условиях (освещенность 200 лк, температура среды 20 °С, сопротивление нагрузки 1 кОм). Различают постоянные вре­мени нарастания Тна и спадания Тсп. Постоян­ная времени уменьшается с ростом освещен­ности и температуры. Численные значения постоянных времени различных фоторезисто­ров — от десятков микросекунд до десятков миллисекунд.

Уровнем собственных шумов называют наибольшее за конечный промежуток времени амплитудное значение флуктуации напряже­ния, получающееся на нагрузке приемника при отсутствии облучения. Оцениваются шумы по их среднеквадратичному значению. Уровнем шумов определяется пороговый поток, под ко­торым понимают минимальный световой по­ток, обусловливающий появление на фоторе­зисторе сигнала, вдвое превышающего уровень его шумов.

Д опустимая рассеиваемая на фоторезисто­ре мощность определяется из уравнения теп­лового баланса при температуре рабочего те­ла, равной допустимому значению

Измерительные цепи фоторезисторов строятся с использованием как постоян­ного, так и переменного напряжения питания. Допустимое напряжение питания определяется допустимой мощностью рассеяния и сопротивлением максимально освещенного фоторезистора как . Наиболее распространенной изме­рительной цепью является мостовая цепь, реже применяется включение фоторезис­тора в цепь делителя напряжения. При выборе элементов мостовой измерительной цепи следует иметь в виду, что сопротивление или проводимость фоторезистора меняются очень существенно и измеритель­ная цепь может внести дополнительную не­линейность. В состав современ­ных измерительных цепей включаются опе­рационные усилители. Пример измеритель­ной цепи с операционным усилителем пока­зан на рис. 12-14. Выходное напряжение усилителя пропорциональ­но отношению проводимостей двух фото­резисторов дифференциального преобразова­теля. При использовании одинарного преобразователя и замене фоторезистора 2 резистором R0, напряжение пропорционально изменению проводимости фоторезистора 1; при замене фоторези­стора 1 резистором R0, напряжение пропорционально измене­нию сопротивления фоторезистора 2.

Фотодиод представляет собой открытую для доступа света пластинку полупроводни­ка, в которой имеются области электронной и дырочной электропроводности, разделенные р-n переходом.

ФД могут работать в двух режимах – фотогенераторном (вентильном) и фотодиодном. В фотогенераторном режиме источник внешнего напряжения отсутствует. В фотодиодном режиме к ФД приложено запирающее напряжение. При отсутствии облучения под действием этого напряжения проходит лишь небольшой темновой ток, а при освещении р-n перехода ток увеличивается в зависимости от интенсивности облучения.

Затемненный фотодиод не отличается от полупроводникового диода, и для него справедливы те же соотно­шения. Обратный ток в этом случае называют темновым током.

Под действием света, падающего на поверхность полупроводника, в последнем обра­зуются пары электрон—дырка. Неосновные носители диффундируют в область р-n перех ода, втягиваются его полем и выбрасывают­ся в область, расположенную за переходом, образуя в ней заряд.

ВАХ фотодиода описывается выражением:

где IФ — фототок, т. е. ток, созданный носи­телями, возбужденными светом; I — ток во внешней цепи.

Схемы включения фотодиодов показаны на рис. 12-17. В фотодиодном режиме ФД может рассматриваться как резистор и включается в схемы делителей (рис. 12-17, а) или мостовые измерительные цепи (рис. 12-17, б), позволяющие в известной степени уменьшить влияние дрейфа темнового тока. ФД по напряжению питания хорошо согласуются с полупроводниковыми электронными элементами, поэтому ис­пользуются обычно в схемах совместно с операционными усилителями. На рис. 12-17, в показана схема включения ФД, работающего в фотогенераторном режиме. Благодаря тому, что входное сопротивление усилителя ( ) не превышает 10 Ом, ФД работает в режиме, близком к короткому замыканию (прямая 2 на рис. 12-15, б) и обладает достаточно линейной характеристикой. Использование низкоомной нагрузки позволяет также увеличить быстродействие фотодиода за счет снижения постоянной времени .

15. Датчики Холла. Области применения, конструкция.

Датчики Холла относятся к гальваномагнитные преобразователи (ГМП), они основаны на физических эффектах, возникающих в находящихся в магнитном поле твердых телах при движении в них заряженных частиц. Датчики Холла основаны на исполь­зовании эффекта Холла. Эффект Холла заключается в возникновении поперечной разности потенциалов (ЭДС Холла) на боковых гранях пластины. Обусловлен изменением траектории движения заряженных частиц в магнитном поле.

В магнитном поле носители заряда под действием сил Лоренца F = evB (заряд * ск-ть дрейфа * магн. индукция) изме­няют свою траекторию, вследствие чего на одной из боковых граней концентрация зарядов одного знака увеличивается, в то время как на противоположной грани — уменьшается.

Преобразователь Холла представляет собой четырехполюсник, обычно выпол­няемый в виде тонкой пластинки или пленки из полупроводникового материала. Токовые электроды 1 и 2 (рис. 1) выполняются по всей ширине поперечных граней, что обеспечивает равномерное распределение входного тока по сечению преобразо­вателя. Потенциальные (Холловые) электроды 3 и 4 расположены в центральной части продольных граней.

Возникающая разность потенциалов (ЭДС Холла) опреде­ляется выражением

(1)

где Rхл — постоянная Холла, зависящая от свойств материала преобразователя;

—функция, зависящая от геометрии преобразователя и так называе­мого угла Холла  между векторами плотности тока и напряженности вызывающего его электрического поля, определяемого подвижностью носителей зарядов и значением магнитной индукции (при l/b = 2 и a/l  0,1 функ­ция 1); —угол между вектором магнитной индук­ции и магнитной осью пре­образователя, совпадающей в первом приближении с нор­малью к плоскости преобра­зователя.

Особенно сильно эффект Холла проявляется в германии (Ge), кремнии (Si) и в полупроводниках, состоя­щих из элементов III и V групп периодической системы.

Постоянные Холла для полупроводниковых материалов имеют порядок 10^-2—10^-4 м3 /(А*с), в то время как для чистых металлов, например для меди, Rxл= 6*10^-11 м³ /(А*с).

Кристаллические преобразователи Холла выполняются в виде тонких пласти­нок (d = 0,01 — 0,2 мм), которые вырезаются из монокристаллов и шлифовкой до­водятся до необходимой толщины. Выводы укрепляются на боковых гранях путем пайки или сварки. Пластин­ки наклеиваются на подлож­ки из радиотехнической слю­ды, ультрафарфора или ситалла.

Хорошими метрологиче­скими характеристиками от­личаются пленочные преоб­разователи Холла из тонких поликристаллических пленок InAs и InSb на стеклянных подложках и преобразовате­ли на основе гетероэпитак-сиальных структур InSb и GaAs на подложках из полу­изолирующего арсенида гал­лия. Чувствительный элемент преобразователя выполняет­ся в виде тонкой пленки (5—10 мкм) способом фотолитографии. Такие преобразо­ватели можно выполнять сложной формы с малой площадью чувствительной зоны (0,2 X 0,05 мм и менее).

Основная погрешность большинства приборов, в которых используются преобразователи Холла, составляет 0,5—1,0 % и более. Только при приме­нении сложных методов коррекции можно снизить погрешность измерения до 0,1— 0,2 % при работе в узком диапазоне температур.

Нашли широкое применение из-за простоты конструкции и дешевизны. Наиболее широкое применение преобразователи Холла получили для измерения параметров постоянных, переменных и импульсных магнитных полей и для оп­ределения характеристик ферромагнитных материалов. Кроме этого, они исполь­зуются для измерений ряда других физических величин, которые легко преобра­зуются в изменение магнитной индукции (электрические токи, угловые и линейные перемещения и др.) (Применялись в клавиатурах с клавишами на магнитах.)