Тема № 7. Неразрушающие методы контроля на основе ПИП излучений

Модуль 7

К ПИП излучений относятся фотоэлектрические и ионизационные датчики.

В основу фотоэлектрических ПИП положено явление фотоэффекта, т.е. освобождение носителей зарядов под действием светового или эл/м излучения.

При измерении несамосветящихся объектов в состав датчика входит осветитель и фотоприемник, при этом информативным может быть как отраженный световой поток так и прошедший через объект (рисунок 1).

ОК – объект контроля

ФП – фотоприемник

ИИ – источник излучения

Рисунок 1 – Структурная схема фотоэлектрического ПИП

В качестве источников излучения используются лампы накаливания, светодиоды, лазеры, а в качестве фотоприемников – фоторезисторы, фотодиоды, фотоэлектронные умножители, фотодиодные матрицы.

Лампы накаливания. Сила тока определяется температурой нити накала. Световой называют температуру абсолютно черного тела, при которой спектральное излучение в видимой области подобно спектральному излучению самой нити накала.

«+» 1) значительный по величине поток излучения;

2) непрерывный спектр излучения.

«-» 1) значительная тепловая инерция, которая не позволяет модулировать световой поток с большой частотой;

2) ограниченный срок службы.

Светодиоды. Энергия высвобожденных при рекомбинации электронов и дырок в p-n переходе передается в виде фотона.

«+» 1)малая постоянная времени, что позволяет иметь большую частоту модуляции;

2) определенный и ограниченный спектр излучения (инфракрасная область).

«-» слабый поток излучения и зависимость от температуры.

Лазеры. Лазерный эффект – это эффект усиления света, поддерживаемый положительной обратной связью. Лазеры являются источниками с очень высокой монохроматичностью и когерентностью.

1. Фоторезистивные ПИП. Физическое явление, на котором основано их действие - фотопроводимость, вызванная внешним фотоэффектом, т.е. с увеличением освещенности сопротивление быстро падает.

Темновое сопротивление, выпускаемых промышленностью фоторезисторов, составляет от 10⁴ до 10⁹ Ом. Зависимость сопротивления от светового потока:

где Ф – световой поток;

=0,5-1;

а – коэффициент, зависящий от материала светоизлучающей ячейки, t, .

Зависимость носит нелинейный характер, для линеаризации включают параллельно фоторезистору сопротивление большой величины.

Основные характеристики:

1) мощность рассеивания

(при питании от источника напряжения);

(от источника тока)

(при , )

2) статический коэффициент преобразования

, где ;

3) чувствительность:

;

4) спектральная чувствительность:

;

5) частотная характеристика:

Рисунок 2 – Зависимость спектральной чувствительности от частоты падающего излучения

Полоса пропускания 10²-10⁵ Гц

«+» высокое значение статического коэффициента преобразования и чувствительности.

«-» 1) нелинейность выходной характеристики, значительное время запаздывания и ограниченная полоса пропускания;

2) зависимость от температуры;

3) выходной сигнал не является прямоугольным.

Область применения:

- счетчик деталей;

- измерение частоты вращения;

- переключающие устройства;

- реле времени и уровня;

- датчики положения и перемещения.

2. Полупроводниковые фотоприемники. К этой группе относятся фотодиоды и фототранзисторы.

Фотодиод может работать в 2-х режимах:

- фотогенератором (вентельный режим)

- фотодиодном.

В 1-м случае источник внешнего напряжения отсутствует, а во втором к фотодиоду приложено обратное напряжение. Для фотодиодного режима характерно наличие темнового тока при отсутствии излучения.

Рисунок 3 – Схема включения при фотодиодном режиме

При Ug, приложенном в обратном направлении, течет обратный ток Ir, величина этого тока определяется из формулы:

где q – величина заряда электрона,

I₀ – ток, вызванный неосновными носителями,

I_p – ток, вызванный фотоэффектом,

-- ток, вызванный основными носителями зарядов.

При действии большого Ug экспоненциальным членом можно пренебречь. Тогда формула примет вид:

Эквивалентная схема для фотодиодного режима представлена на рис.4.

Рисунок 4 – Эквивалентная схема

R_d – динамическое сопротивление перехода (10¹⁰ Ом),

C_d – емкость перехода (10 ^-12 Ф).

Относительные чувствительности для германиевых и кремневых фотодиодов в зависимости от длины волны представлены на рисунке 5.

Рисунок 5 – Относительные спектральные чувствительности

Особенность: фотодиодный режим линейный, темновой ток составляет порядка 1нА, постоянная времени t=, полоса пропускания

Фотогенераторный режим

Отсутствуют внешний источник питания. Фотодиод работает как преобразователь энергии и эквивалентен генератору, который характеризуется либо напряжением холостого хода, либо током короткого замыкания.

При очень малом освещении:

<<,

>>,.

Эквивалентная схема, что и для фотодиодного режима. Динамическая емкость C_d в 5-10 раз больше, чем для фотодиодного режима. Напряжение измеряется при R_m>>R_d. Ток короткого замыкания измеряется при Rm<<Rd.

Особенности – отсутствие темнового тока, что позволяет измерять малый световой поток; спектральная чувствительность одинакова с фотодиодным режимом; постоянная времени составляет 300 нс; полоса пропускания меньше, чем при фотодиодном режиме.

Схемы включения.

Для фотодиодного режима используется схема включения в цепь делителя и мостовой схемы. Эти схемы представлены на рисунках 6 и 7.

Рисунок 6 – Схема включения фотодиода в цепь делителя

Рисунок 7 – Мостовая схема включения фотодиода

Высокое быстродействие будет выполняться, при условии. Кроме того, оно обеспечивается за счет малого сопротивления нагрузки , где К – коэффициент усиления операционного усилителя.

Схема включения для фотогенераторного режим показана на рисунке 8. Она обеспечивает измерение тока короткого замыкания. Нагрузкой является R_вх операционного усилителя.

Рисунок 8 – Схема измерения U_xx

,

где Ом,

К – коэффициент усиления операционного усилителя.

Исходя из вышеизложенного, режим короткого замыкания характеризуется высоким быстродействием и малой постоянной времени.

Схема для измерения напряжения холостого хода U_xx изображена на рисунке 9.

Рисунок 9 – Фотогенераторный режим

Данная схема позволяет измерить напряжение U_xx на фотодиоде VД, т.к. его обратное сопротивление очень высоко.

Фототранзистор – это транзистор, в базу которого заложен фотоэлемент, который может быть освещен. Электрически к этому элементу подключиться нельзя. Электрическая и эквивалентная схемы фоторанзистора представлены на рисунках 1 и 2.

Рисунок 1 – Электрическая схема Рисунок 2 – Эквивалентная схема

При освещении базы транзистор ведет себя как фотодиод в фотодиодном режиме, ток базы которого

, где

- обратный темновый ток;

- фототок.

Этот ток вызывает коллекторный ток

Таким образом, диод выдает ток базы, а транзистор коэффициент усиления b.

Принцип работы. Под действием светового потока выделенные пары разделяются электрическим полем, существующим на переходе база-коллектор на «n» и «р».

Дырки скапливаются в базе, увеличивая ее потенциал, и тем самым понижают потенциальный барьер Э-Б (U_ЭБ) в результате чего возникает ток I_ЭБ и I_К. Напряжение на выходе фототранзистора будет определяться выражением

Основные параметры:

- темновой ток составляет 10^-8-10^-9 А имеет логарифмическую зависимость от U_K и увеличивается с ростом температуры;

- чувствительность составляет (10-100) А/Вт;

- линейность сохраняется при малых световых потоках, а при больших – наступает режим насыщения;

- быстродействие повышается при увеличении тока коллектора;

- граничная частота f_c =300 КГц.

Схемы включения:

- коммутаторная схема включения;

- линейная схема для измерения слабых световых потоков;

- дифференциальная схема включения для компенсации темнового тока.

3. Фотоэлектронные умножители (ФЭУ)

В основу положено явление вторичной электронной эмиссии, т.е. число эмитируемых электронов с поверхности катода превосходит число упавших, за счет чего и происходит усиление первичного сигнала. Схема ФЭУ с делителем напряжения питания имеет вид:

Она содержит светочувствительный катод К, фокусирующую систему, умножительную систему, состоящую из динодов Д1-Дп и анод А. Световые сигналы, попадая на фотокатод, вызывают ток эмиссии, пропорциональный интенсивности падающего света. Поток электронов, сфокусированный электронно-оптической системой, попадает в умножительную систему, где происходит усиление электрического сигнала. Если каждый электрон, бомбардируя динод, выбивает в среднем d вторичных электронов, то при п-динодах коэффициент умножения будет равен М=d^п. Практически d=h_с(h_t*d)^п, где h - коэффициент переноса к последнему диноду; t_с – коэффициент сбора первым динодом.

Вторичные электроны, выбитые из последнего динода, попадают на анод и создают ток во внешней цепи, который по величине значительно превосходит первичный фототок, возникающий с фотокатода. Распределение напряжения между фотокатодом, динодами и анодом осуществляется с помощью делителя напряжения. При определении схемы делителя необходимо выполнить условия:

- напряжение между катодом и первым динодом должно быть стабилизировано, т.к. от него зависит эффект сбора электронов первым динодом;

- разность потенциалов между динодами должна составлять от 10 до 100 В;

- ток делителя должен превышать не менее чем в 10 раз анодный ток, чтобы устранить влияние на усиление, за счет перераспределения потенциалов между динодами;

- по той же причине резисторы последних трех динодов шунтируются емкостями;

- заземленным может быть и анод так и катод, при этом уменьшаются темновой ток и собственные шумы;

- сопротивление нагрузки выбирают из условия I_a*R_m£10В, чтобы избежать большой разности потенциалов между анодом и последним динодом.

Характеристики:

1. Темновой ток анода I_ao в отсутствие светового потока вызывают:

а) термоэлектрическая эмиссия фототока, которая создается темновым током катода I_Ko;

б) токи уечки между электродами, тогда I_ao = M*I_Ko;

2. Чувствительность очень высокая, т.к. коэффициент умножения М=10⁵-10⁸.

3. На стабильность анодного тока влияют:

а) медленный дрейф после первого светового сигнала;

б) усталость в результате длительного протекания большого анодного тока;

4. Временные характеристики:

а) время пролета от К до А составляет от 10 до 100 нс и зависит от приложенного напряжения;

б) постоянная времени t=R_m*C_p, граничная частота ;

5. Источники шума:

а) темновой ток фотокатода;

б) тепловой шум на сопротивлении нагрузки.

Достоинства: высокая чувствительность и быстродействие, минимальные собственные шумы.

Недостаток: необходим стабилизированный высоковольтный источник питания.

Область применения: спектрофотометрия, радиометрия, лазерная фотометрия, счетчики радиоактивных измерений.

4. Оптические электронные преобразователи на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС-структур)

Данные преобразователи в некоторой литературе называются фотоприемными устройствами или ОЭП развертывающего типа.

Рисунок 1 – ПЗС-структура

Представляют собой комбинацию элементарных МДП-конденсаторов, сформированных на общей полупроводниковой подложке. Схема ПЗС-структуры приведена на рисунке 1. При этом полоски металлических электродов, образуют линейную или матричную регулярную структуру с очень малыми (мкм) расстояниями между соседними электродами. При освещении элементарных ячеек ПЗС на границе раздела диэлектрик-полупроводник генерируются носители зарядов. Они накапливаются в потенциальных «ямах», возникающих под полосками электродов, при подаче на них соответствующих напряжений. Направленная передача накопленных зарядов в элементарных МДП-конденсаторах вдоль структуры ПЗС осуществляется путем создания соответствующего рельефа вдоль этой структуры при приложении к различным электродам ПЗС в определенной последовательности необходимых управляющих напряжений. В результате на выходе получается последовательность импульсов, амплитуда которых определяется освещенностью ячеек.

«+» 1) высокая разрешающая способность (малостью ячеек);

2) простота технологического изготовления, низкая цена, малые габариты, малое число выводов, линейность развертки, малая потребляемая мощность (1-10 мВт), высокая степень интеграции (10⁵ элементов на кристалл).

«-» 1) наличие паразитных связей между ячейками, наличие искажения сигнала из-за неполного переноса зарядов;

2) неодинаковая чувствительность, малый динамический диапазон.

Типы К1200 ЦМ1, К1200 ЦМ2; ФПЗС-1М (576*512),ФПЗС-2М (288*156).

5. Оптоэлектронные преобразователи на основе интегральных фотодиодных матриц (ИФДМ)

ИФДМ представляет собой комбинацию элементарных МДП-фотодиодов, сформированных на общей полупроводниковой подложке. Они являются наиболее перспективными среди ОЭП развертывающего типа.

Развертка изображения в ИФДМ осуществляется путем коммутации элементарных ячеек матрицы электронными ключами, встроенными в ИФДМ (рисунок 2). Обычно с помощью вертикальных и горизонтальных шин ячейки организуют в столбцы и строки. При этом различают ИФДМ со словарной и поэлементной организацией. В первом случае одновременно считывается сигнал со всей строки матрицы, а во втором осуществляется последовательный опрос каждой элементарной ячейки матрицы при совпадении опрашивающих (сканирующих) напряжений по ее строкам и столбцам. Фототок I_p появляется при освещении элементарной ячейки с прямоугольной фоточувствительной площадкой с размерами Dx и Dy и определяется выражением

,

где S – токовая чувствительность фотодиода.

Для монохроматического излучения S_l=0,4-0,5 , а интегр. S_B=0,33

Рисунок 2 – Фотодиодная ячейка

Измерение выходных сигналов осуществляется измерением или заряда, или фототока, протекающего через МДП-транзисторный ключ, либо путем измерения напряжения на выходе 2. При объединении фотоячеек используются либо параллельные, либо последовательные решетки МДП-фотодиодов в целях уменьшения выводов. В первом случае общей шиной объединяются все затворы, а во втором – все стоки ячеек. Схема этого соединения приведена на рисунке 3.

Для поэлементной выборки ячеек ИФДМ снабжают схемами в виде вертикальных и горизонтальных сдвиговых регистров или дешифраторов. Последние, генерируя коды «бегущая 1», обеспечивают выборку сигналов, что эквивалентно сканированию.

Рисунок 3 – Решетки МДП-фотодиодов

«+»: высокая чувствительность, возможность работы в статическом и динамическом режимах, малый уровень внутренних шумов, шире чем у ПЗС динамический диапазон.

«-»: малое число элементов разложения изображения, отсутствие для инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов.

Типы МФ-14 (32*32), МФ-16 (16*16), МФ-22 (64*64) и др.

Дата добавления: 2014-01-04