Фотоэлектрические преобразователи

Фотоэлектрические преобразователи выполняют преобразование фотонов света в электрический сигнал. Их подразделяют на преобразователи с внешним и внутренним фотоэффектом. К первым относят электровакуумные фотоэлементы и фотоумножители; ко вторым - полупроводниковые (фоторезисторы и др.).

Основными характеристиками, определяющими свойства фотоэлектрических преобразователей, являются спектральные характеристики, показывающие зависимость чувствительности преобразователя от длины волны падающего света, и световые (интегральные) характеристики, отражающие зависимость величины фототока или изменения сопротивления от интенсивности светового потока при неизменном спектральном составе света и неизменном электрическом режиме в цепи преобразователя.

Для характеристики способности к преобразованию слабых сигналов применяют понятие пороговой чувствительности (минимальная мощность оптического излучения, создающая на нагрузке преобразователя сигнал, равный напряжению шумов). Для выбора рабочего режима фотоэлектрического преобразователя необходимо также знать вольт - амперную характеристику фотоэлектрического преобразователя.

Преобразователи с внешним фотоэффектом. В этих преобразователях кванты света, достигая чувствительной поверхности (фотокатода), выбивают фотоэлектроны, которые увлекаются внешним электрическим полем, создавая фототок. Для работы в видимой части спектра используют напыленные фотокатоды из щелочных металлов: лития, натрия, цезия, калия, рубидия с подложками из слоя серебра, сурьмы или окисленного слоя висмута.

Чувствительность вакуумных фотоэлементов с внешним фото­эффектом очень невелика и составляет в среднем несколько десятков микроампер на люмен. В тех случаях, когда необходимо измерять очень малые световые потоки (менее 10^-3 лм), чувствительность оказывается недостаточной и требуются большое усиление выходных сигналов. Собственные шумы фотоэлементов и шумы усилителей могут превышать величину полезного сигнала. В этих случаях применяют фотоэлектронные умножители, в которых усиление фототока осуществляется внутри преобразователя с использованием явления вторичной электронной эмиссии. Спектральные характеристики фотоумножителей не отличаются от спектральных характеристик фотоэлементов с такими же катодами, например, фотоумножитель с сурьмяно-цезиевым фотокатодом имеет спектральную область чувствительности 0,25 - 0,65 мкм, а висмут-серебряно-цезиевый - 0,4 - 1,1 мкм. Интегральная чувствительность фотоумножителей в зависимости от типа фотокатодов и числа эммитеров в пределах от 0,6 до 2×10⁶ мА/лм при значении темпового тока от 0,02 до 200 мкА.

Преобразователи с внутренним фотоэффектом. В чувствительных элементах фоторезисторов под действием фотонов света образуются свободные электроны, в результате чего меняется проводимость чувствительного вещества фоторезистора.

Фотоэлектрические преобразователи с обедненным слоем образуются в контактах полупроводников, имеющих различную проводимость. Вентильные фотоэлектрические преобразователи под влиянием света становятся источниками ЭДС, т.е. относятся к подгруппе генераторных преобразователей.

Если на чувствительный элемент с обедненным слоем подано внешнее смещение, то такой преобразователь становится фотодиодом. Фотодиоды отличаются высоким КПД и малой инерционностью. Линейность световых характеристик фотодиодов достигается при относительно низких значениях сопротивлений нагрузки.

Наиболее высокая чувствительность свойственна фототранзисторам, которые имеют несколько полупроводниковых областей с различной проводимостью. Конструктивно и по принципу действия фототранзистор аналогичен плоскостному биполярному транзистору. Отличие состоит в том, что фототранзистор, как правило, имеет только два внешних вывода: от эммитера и от коллектора (фототранзистор с оборванной базой). При отсутствии освещения в цепи фототранзистора протекает темновой ток небольшой величины, аналогичный сквозному току в транзисторе, включенном по схеме с общим эммитером.

Изменяющаяся интенсивность светового потока выполняет роль управляющего базового тока.

Преимущества всех фотоэлектрических преобразователей состоят в том, что при использовании их в системах технической диагностики БМиП для измерения параметров движения объектов диагностирования можно создавать измерительные устройства с полным отсутствием тормозного воздействия (за исключением сопротивления воздуха, воспринимаемого обтюратором, а при наличии подшипников у обтюратора и трения в последних). Фотоэлектрические преобразователи могут быть использованы в измерительных системах, основанных на методе отражения, для которых достаточно только нанесение меток краской или липкой лентой на перемещающемся объекте.

Фотоэлектрические преобразователи имеют существенные преимущества в устройствах синхронизации систем технической диагностики, поскольку крутизна и амплитуда генерируемых импульсов мало зависит от частоты вращения объекта диагностирования.

На фотоэлектрические преобразователи очень малое влияние оказывают электрические и магнитные поля, что делает их незаменимыми для установки вблизи электрических машин.

К числу недостатков фотоэлектрических преобразователей, применяемых для измерения параметров движения, относится необходимость дополнительного источника питания осветителя и защита оптической системы от загрязнения (а иногда и от постороннего света). Фотоэлектрические преобразователи не могут быть использованы в тех случаях, когда сложно обеспечить прозрачность корпуса первичного преобразователя, например в турбинно-тахометрических расходомерах жидкости, работающих при высоком давлении.

В системах технической диагностики машин фотоэлектрические преобразователи используют для измерения частот вращения, скоростей перемещения, для анализа загрязнения смазочных масел и рабочих жидкостей, и состава отработавших газов двигателей.

Дата добавления: 2014-01-15