ВУЗ: Камская Государственная Инженерно-Экономическая Академия
Категория: Учебное пособие
Дисциплина: Электротехника
Добавлен: 10.02.2019
Просмотров: 2022
Скачиваний: 7
СОДЕРЖАНИЕ
1. Реостатные преобразователи линейных и угловых перемещений.
4. Индуктивные преобразователи линейных величин.
6. Контактные преобразователи и преобразователи контактного сопротивления
7.Термоэлектрические преобразователи (принцип действия, их измерительные цепи).
9.Электростатические преобразователи (принцип действия, область применения).
10. Пьезоэлектрические преобразователи. Прямой и обратный пьезоэффект.
11. Пьезорезонансные преобразователи.
12.Измерительные преобразователи, основанные на использовании ПАВ.
13. Вихретоковые преобразователи.
14.Фотоприемники. Фоторезисторы и фотодиоды. Схемы включения.
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 .
-
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.)