Использование внутреннего фотоэффекта для измерения физических величин

При неработающем механизме отображающая оптика юстируется таким образом, чтобы на обе части  pin-диода попадало излучение одинаковой интенсивности, т. е. 1_А=I_В. Как только светодиод начинает перемещаться из-за вибраций механизма, интенсивность перераспределяется и нарушается равенство токов 1_А и I_В. В итоге разность ΔI=[1_А - I_В] оказывается мерой уровня вибрации механизма, которую можно оценивать при разных режимах работы. Важнейшие характеристики датчиков положения графически представлены на рисунке 2.10. Линейность измерения положения (рисунок 2.10, б) означает отклонение выходного сигнала от номинального значения (в процентах) при линейном смещении по всей длине датчика (в данном случае 30 мм). Это важнейшая характеристика соблюдается в пределах погрешности ±1 %.

Р - генератор фототока; D - идеальный диод; С_j- емкость рn-перехода; R_sh - сопротивление шунта; R_ie - поверхностное сопротивление

 

Рисунок 2.10 Спектральная чувствительность (а), линейность измерения положения (б), температурная зависимость спектральной чувствительности (в) и эквивалентная схема (г) датчика положения

 

Типичными примерами применения оптических датчиков положения являются измерения протяженных  объектов (например, туннелей, зданий, конструкций) с помощью луча лазера, направляемого на датчик. Отклонение луча от центра, датчика вследствие перемещений или вибраций может  быть измерено с большой точностью.

2.3 Двухкоординатное измерение положения

 

 

Двухкоординатное измерение положения добавляет еще одну степень свободы при определении положения или размещении (позиционировании) объекта.

Датчик  этого типа состоит из активной поверхности  в форме квадрата, на каждой стороне  которого имеется по электроду (рисунок 2.11). Противоположные электроды предназначены  соответственно для определения  смещений по осям X и У, как показано на рисунке 2.12.

 

 

Рисунок 2.11 – Конструктивное исполнение двухкоординатного датчика положения

 

 

Рисунок 2.12 - Схема измерительного блока (вычислительная схема) двухкоординатного датчика положения

 

Сигналы Y₁ и Y₂ с помощью предусилителей согласуются с вычислительной схемой, формирующей отношение разности сигналов к их сумме. Процесс вычисления аналогичен осуществляемому в линейных датчиках положения. Благодаря дополнительной степени свободы (по оси X) осуществляется двухкоординатное измерение положения.

Линейность  XY-позиционирования показана на рисунке 2.13. Она представляет собой меру точности определения положения. Область применения датчиков этого типа в принципе та же, что и у линейных.

 

Рисунок 2.13 - Типичная линейность измерения положения

 

2.4 Датчики шероховатости

 

Контроль  качества поверхности деталей при  автоматизированном производстве оказывается  возможным благодаря применению линейных датчиков изображения (или  последовательного ряда фотодиодов). На рисунке 2.14 иллюстрируется принципиальное устройство датчика шероховатости (тип RM400S, фирма Rodenstock). Действие этого датчика основано на измерении светорассеяния.

Пучок света, испускаемый ИК-светодиодом (λ₀= 810 нм), фокусируется объективом на детали. Световое пятно на поверхности детали обычно имеет размер около 1,8 мм, а в специальных случаях – 0,2...4 мм. В зависимости от качества поверхности обследуемого объекта в зоне светового пятна происходит рассеяние света, который с помощью светоделительной пластинки направляется на датчик изображения. Дисперсия распределения рассеянного света дает характеристику оптической шероховатости поверхности S_N

 

                                                              (2.1)

 

где      i - номер фотодиода;

p_i - интенсивность, регистрируемая i-м фотодиодом;

 - номер фотодиода, усредненного по интенсивности;

g - нормирующий множитель.

Расчет  выполняется, естественно, микропроцессором, позволяющим обрабатывать около 20 измерений  за 1 с.

На рисунке 2.14 изображены поверхности различного качества, характерные для деталей, изготовленных точением, шлифованием  и прокаткой. При точении и  шлифовании получается равномерный  бороздчатый профиль, тогда как  прокатанная поверхность имеет  нерегулярный рельеф. Это различие отчетливо проявляется в характере  светорассеяния, так как в противоположность точеной и шлифованной поверхности прокатанная поверхность имеет центросимметричное распределение интенсивности рассеянного света.

 

Рисунок 2.14 - Внешний вид поверхности деталей, обработанных различным образом  (а), соответствующие картины рассеяния света на датчике изображения (б) и кривые распределения рассеянного света (в)

 

Оптические  характеристики шероховатости S_N точеной и шлифованной поверхностей, определенные по кривым распределения светорассеяния (рисунок 2.14) отличаются незначительно (72 и 78 соответственно), тогда как для прокатанной поверхности S_N=48.[2]

 

 

 

 

3. ИСТОЧНИКИ  ПОГРЕШНОСТЕЙ, ОГРАНИЧИВАЮЩИХ ТОЧНЛСТЬ  ИЗМЕРЕНИЙ НА ОСНОВЕ ВНУТРЕННЕГО  ФОТОЭФФЕКТА

 

3.1 Фотоэлектрические преобразователи

 

Главным недостатком фотопреобразователей является заметная инерционность (по сравнению с другими фотоэлектрическими преобразователями) и температурная зависимость (подобно термисторам). Для уменьшения погрешности они включаются в смежные плечи моста. Недостатком диодного режима является наличие темнового тока.

Преобразователи чувствительны к силе света и  его цвету. Их недостатком является большая погрешность, которая в  основном определяется усталостью, старением и зависимостью параметров преобразователя от температуры

Для уменьшения погрешности измерения фотоэлектрические  преобразователи включаются в дифференциальные или компенсационные измерительные цепи. Дифференциальная схема с двумя фотоэлектрическими   преобразователями, служащая для измерения концентрании раствора, приведена на рисунке 3.1.

 

Рисунок 3.1 - Дифференциальная схема с двумя фотоэлектрическими   преобразователями, служащая для измерения концентрации раствора.

Первый  луч света от источника 1 проходит через объект измерения 2, например, через кювету с исследуемым раствором, и попадает на фоторезистор 3. Второй луч проходит через применяемый для настройки прибора оптический клин 4 и попадает на второй фоторезистор 5. Фоторезисторы включены в мостовую цепь. Благодаря дифференциальной схеме компенсируются температурные и другие аддитивные погрешности. Однако вследствие разброса характеристик и параметров фотоэлектрических преобразователей каналы дифференциальной цепи несколько отличаются друг от друга, и компенсация _г получается неполной. Достоинством схемы является ее пригодность для измерения быстро переменных величин. Инерционность прибора обусловливается инерционностью фотоэлектрических преобразователей и выходного прибора.

Меньшую погрешность имеют дифференциальные схемы с одним фотоэлектрическим  преобразователем (рис. 3.2, а). По этой схеме лучи света с одного и другого каналов попеременно освещают фотоэлектрический преобразователь 1. Коммутация осуществляется с помощью диска 2, имеющего отверстия и вращающегося с постоянной скоростью при помощи синхронного двигателя СД. Световой поток, падающий на фотоэлектрический преобразователь, модулирован и изменяется во времени, как показано на рис. 3.2, б. Переменная составляющая светового потока:

                                              (3.1)                           

 

 

 

 

 

Рисунок 3.2 - Дифференциальные схемы с одним фотоэлектрическим преобразователем

 

где Ф_п — световой поток, прошедший через объект измерения 3; Ф₀ — образцовый световой поток, прошедший через оптический клин 4.

Переменная  составляющая светового потока преобразуется  в переменное напряжение и усиливается. В рассматриваемом приборе оба канала дифференциальной измерительной цепи различаются меньше, чем в предыдущем, и лучше компенсируются аддитивные погрешности.

Вследствие  модуляции светового луча уменьшается  частотный диапазон прибора, увеличивается его инерционность. При таком способе измерения измеряемый частотный диапазон ограничивается частотой модуляции, причем верхняя частота диапазона должна быть на порядок меньше частоты модуляции. В качестве оптического модулятора обычно применяется электромеханическое устройство. Его использование усложняет прибор и уменьшает надежность.

Дифференциальные  оптические приборы могут использоваться как приборы с ручной компенсацией. В этом случае оптический клин соединяется со стрелкой, перемещающейся по шкале прибора. При измерении оптический клин перемещается до тех пор, пока выходное напряжение (и_вых на рисунке 3.1) и переменная составляющая напряжения на рис 3.2, а) не будут равны нулю. При этом измерительный и образцовый световые потоки равны между собой, и по положению оптического клина можно судить о значении измеряемой величины.

В приборах с автоматической компенсацией напряжение, пропорциональное разности световых потоков ДФ, подается на реверсивный двигатель, который автоматически перемещает оптический клин в нужную сторону.

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

В данной курсовой работе были изложены общие  характеристики явления внутреннего  фотоэффекта и его применение в электронике и измерительной  технике, а так же основные устройства, принцип работы которых основан  на данном явлении. Здесь описываются  основные источники погрешности, ограничивающие точность измерения на основе данного  эффекта.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

 

 

1. Савельев, И.В. Курс общей физики т.3/ И. В. Савельев. – М.: Наука, 1970. – 512 с.
2. Детлаф, А.А. Курс физики.т.3/ А.А. Детлаф. – М.: Высшая школа, 1979. – 521 с.
3. Ландсберг, Г.С. Оптика. Учебное пособие: Для ВУЗов/ Г.С. Ландсберг. – М.: Физматлит, 2003. – 848 с.
4. Джексон, Р.Г. Новейшие датчики/ Р. Г. Джексон. – М.: Арзамас, 2007. – 384 с.
5. Виглеб, Г. Датчики. Устройство и применение./ Г. Виглеб. – М.: Мир, 1989. – 196 с.