Оптоэлектронный преобразователь интерфейсов что это

25

Тема 3.5. Оптоэлектронные преобразователи.

В настоящее время возрастает преобладание волоконно-оптических датчиков, которые обеспечивают стабиль­ную работу в условиях сильных электромагнитных полей, а также в агрессивных и взрывоопасных средах.

Оптоэлектроника сочетает в себе оптические и электронные методы измерений. На основе оптоэлектронных преобразователей созданы датчики давления, силы, переме­щения, скорости, акустических параметров, напряженности элек­трического и магнитного полей.

Оптоэлектронные системы состоят из излучателей и приёмников излучения.

Излучатели.

Известно, что видимый свет вместе с ультрафиолетовым (УФ) и инфракрасным (ИК) излучением составляет лишь небольшую часть всей полосы частот электромагнитного излучения, называе­мой областью оптических частот. Измерения в области оптических частот называются радиометрией. Радиометрия, использующая видимый свет, называется фотометрией.

Для описания оптических явлений используются три системы величин: энергетическая, световая и квантовая.

В энергетической системе поток измеряется в ваттах, а в свето­вой — в люменах. В квантовой системе свет рассматривается как поток частиц — квантов.

Обычно световой поток состоит из излучений с различными частотами, но при создании оптических преобразователей жела­тельно использовать световой поток, состоящий из излучения одной какой-либо частоты. Такой одночастотный поток называют монохроматическим.

В качестве источников света широко применяются обычные лампы накаливания с вольфрамовой нитью, которые име­ют непрерывный спектр излучения, охватывающий видимую и инфракрасную области. Недостатком ламп накаливания является их малый коэффици­ент полезного действия: только 2 % подводимой к ним электри­ческой мощности преобразуется в видимое излучение.

В настоящее время все более широкое применение получают лазерные источники излучения. Лазеры бывают газовыми, твер­дотельными и полупроводниковыми. Наибольшее распростране­ние получили именно газовые лазеры, характеризующиеся моно­хроматичностью и поляризованностью излучаемого ими когерент­ного света.

Устройство лазера, работающего на углекислом газе (СО₂), показано на рис.30.

Газовый СО₂-лазер состоит из охлаждаемой проточной водой разрядной трубки 4, внутри которой с помощью системы элект­родов 1 создается газоразрядная плазма 2. По торцам газоразряд­ной трубки размещаются зеркала резонатора: глухое зеркало 3 и полупрозрачное зеркало (зеркало с отверстием) 5.

В настоящее время наиболее распространенными источниками светового излучения, которые используются для автоматизации в машиностроении, являются светодиоды, принцип действия которых основан на генерировании светового излучения при ре­комбинации электронов и дырок в полупроводниковом материа­ле. Основные материалы, используемые для изготовления таких светодиодов — арсенид и фосфид галлия.

3.5.2. Приемники излучения.

Практически использующиеся для целей автоматизации в машиностроении, можно подразде­лить на две группы: интегральные и селективные.

К интегральнымотносятся приемники излучения, базирующи­еся на преобразовании энергии излучения в температуру незави­симо от длины волны этого излучения.

К селективнымотносятся фотоэлектрические преобразовате­ли, реагирующие на ту или иную определенную длину волны из­лучения.

Оптикоэлектронные преобразователи

Применение оптических методов измерения физических величин как параметров технологических процессов исключает влияние средств измерений на технологический процесс, повышает точность измерений.

Изменение интенсивности поглощения света в зависимости от толщины слоя, а также селективность поглощения лежат в основе действия целого ряда оптических преобразователей, предназначенных для определения толщины, уровня, концентрации, структуры и химического состава веществ.

Оптический преобразователь включает в себя: источник излучения; оптический канал; приемник излучения.

• — высокая эффективность преобразования энергии возбуждения в энергию оптического излучения;
• — узкая полоса излучения;
• — направленность излучения;
• — быстродействие, т.е. быстрое возникновение и гашение потока;
• — высокая технологичность;
• — низкая стоимость;
• — совместимость с микросхемами;
• — устойчивость к жестким механическим, температурным, радиационным воздействиям;
• — долговечность;
• — надежность;
• — миниатюрность;
• — когерентность генерируемого излучения.

Когерентность — это согласованность между фазами колебаний в различных точках пространства в один и тот же момент времени — пространственная, а в различные моменты времени — временная.

Излучатели: лампы накаливания — физический эффект свечения нагретого тела — спектр излучения инфракрасный.

Газоразрядные источники дугового, тлеющего и импульсного разряда — потребляют большую мощность при относительно высоких напряжениях, имеют большие размеры, плохо поддаются минютиризации, обладают невысокой стабильностью. Их быстродействие достигает 103-104 Гц.

Наибольшее распространение получили светодиоды с красным, зеленым и желтым цветом свечения.

Их достоинства: высокий КПД; низкие токи и напряжения питания, малые размеры, относительно высокая частота переключений.

Основные недостатки — зависимость их параметров от температуры и продолжительность эксплуатации.

Лазеры — источники когерентных монохроматических излучений, позволяют получить чрезвычайно интенсивные остронаправленные пучки света. Различают твердотельные, газовые, полупроводниковые.

Однако большие размеры источников питания и излучательных трубок газовых лазеров ограничивает их применение.

У полупроводниковых лазеров высокий КПД, проста модуляция оптического излучения.

Приемники излучения. Преобразуют энергию излучения в электрический и оптический сигналы. Действуют по принципу фотоэффекта. Это фоторезисторы, фотодиоды, фототиристоры, фототранзисторы.

Сопротивление фоторезисторов изменяется под действием светового излучения, они обладают высоким быстродействием, чувствительностью. Основной недостаток — низкие рабочие частоты (103-105 Гц), высокая температурная нестабильность, влияние влажности.

Фотодиоды — аналог обычного диода. Отличие состоит в том, что его p-n — переход одной стороной обращен к стеклянному окну, через которое поступает свет и защищен с другой стороны. Может работать в двух режимах: фотодиодным (фотопреобразовательным) и вентильном (фотогенераторном). Их недостаток — существенная зависимость параметров от температуры. Бывают германиевые и кремневые.

Фототранзисторы — комбинация фотодиода и транзистора. Это позволяет одновременно с преобразованием световой энергии в электрическую осуществить усиление фототока. Два типа p-n-р и n-р-n.

На вход фототранзисторов можно подавать оптический и электрический сигналы. Характеристики фототранзисторов аналогичных характеристикам обычных транзисторов. Их темповой ток значительно больше, чем у фотодиодов, но и интегральная чувствительность выше.

Основной недостаток — значительно меньшая граничная частота по сравнению с фотодиодами. Для них характерны высокий уровень шума и сильная температурная зависимость темпового тока.

В последнее время стали часто использовать специфические оптоэлектронные полупроводниковые приборы — оптроны, объединяющие в одном корпусе источник излучения и фотоприемник, связанные между собой оптически, электрически или обеими связями одновременно.

В зависимости от типа и схемы включения оптроны обеспечивают гальваническую развязку входных и выходных цепей, коммутацию цепей с частотой до 107 Гц могут работать в ключевом и налоговом режимах. Темповое сопротивление может достигать 1010 Ом, а в освещенном состоянии снижаться до сотен Ом.

Многие физические величины, преобразованные в линейное или угловое перемещение, можно перевести в электрический сигнал с помощью фотоэлектрических преобразователей.

Наиболее просто можно получить изменение светового потока Ф, а следовательно, и фототока, изменяя расстояние от источника излучателя до фотоприемника.

Использование фотоэлектрических преобразователей позволяет получить информацию о контролируемом параметре в виде параллельного цифрового кода — кодирующие измерительные преобразователи. С их помощью можно измерять линейное или угловое перемещение, вращающий момент, частоту вращения, предварительно преобразованные в перемещение.

Принцип их действия заключается в том, что для углового измерения перемещения используют кодирующий диск, устанавливаемый на оси подвижной части первичного преобразователя. При линейном перемещении используют кодирующую линейку.

Если диск (линейка) изготовлены из непрозрачного металла, то в нем в определенном порядке вырезают отверстия. Число рядов отверстий соответствует разрядности кода, его выбирают исходя из требуемой точности измерений.

Если используют прозрачный материал, то на нем формируют прозрачные и непрозрачные участки.

Напротив каждого из рядов отверстий диска устанавливают с одной стороны источник излучения, с другой фотоприемник. Каждая пара (излучатель — фотодиод) выдает информацию о состоянии соответствующего разряда цифрового кода. Обычно применяют двоичный код.

3.5. Оптико-электронные преобразователи

Оптико-электронными называют преобразователи, в которых измеряемая неэлектрическая величина и выходная электрическая связаны потоком электромагнитного излучения оптического диапазона волн — (300-0,003) мкм. Оптико-электронный преобразователь, как правило, содержит источник излучения, оптический канал и приемник излучения, в котором энергия излучения преобразуется в выходной электрический сигнал.

Источники оптического излучения делятся на тепловые (лампы накаливания) и люминесцентные (газоразрядные лампы, оптические квантовые генераторы-лазеры и светодиоды). Во многих случаях источником излучения является сам объект измерения.

Приемники оптического излучения делятся на тепловые и фотоэлектронные.

Принцип работы тепловых приемников основан на преобразовании энергии излучения в тепловую с последующим ее преобразованием в электрический сигнал. К ним относятся термоэлементы, болометры и пироэлектрики. Термоэлемент — это тонкий металлический диск с зачерненной поверхностью, которой касается рабочий спай термопары (диск под воздействием лучистой энергии нагревается). В болометрах используется изменение электрического сопротивления зачерненной тонкой полоски из проводникового или полупроводникового материала под действием повышения температуры, вызванного облучением. Пироэлектрик — это кристалл, электрическая поляризация которого изменяется при повышении температуры, вызванном поглощением падающего на него излучения.

Преобразование оптического сигнала в электрический осуществляется фотоприемниками, использующими различные физические эффекты. Фотоэлектриче­ские приемники излучения делят на две группы — фотоэлектрические приемники на основе внутреннего фотоэффекта и фотоэлектрические на основе внешнего фото­эффекта. Действие фотоэлектрических приемников излучения основано на измене­нии электронной структуры вещества при его облучении. Основными типами таких приемников являются фотоэлементы, фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисто­ры, многоэлементные твердотельные приемники излучения [2].

Внутренним эффектом называют процесс взаимодействия электромагнитного поля излучения с веществом, в результате которого энергия квантов излучения пе­редается электронам вещества, изменяющим в нем свое энергетическое состояние.

Рассмотрим общие для большинства фотоприемников параметры и характе­ристики, важные для их выбора: параметры чувствительности, пороговые и шумо­вые характеристики, параметры временных и спектральных характеристик, энерге­тические характеристики.

Спектральная чувствительность S определяется как отношение изменения вы­ходного сигнала фотоприемника (напряжения dv или тока dl) к вызвавшему это из­менение монохроматическому потоку:

(3.6)

Порогом чувствительности (пороговым потоком) Ф_п называют минимальную величину эффективного значения синусоидально-модулированного потока излучения, падающего на приемник, при котором среднее квадратическое значение выходного сигнала равно среднему квадратическому значению шума в единичной полосе Af частот:

(3.7)

где S_v — интегральная чувствительность по напряжению, порог чувствительности характеризует способность фотоприемника регистрировать малые сигналы.

Быстродействие фотоприемника характеризуется постоянной времени tпи промежутком времени, в течение которого сигнал на выходе приемника излучения уменьшается в с paз после прекращения облучения приемника. Более полно дина­мические свойства фотоприемника описываются частотной характеристикой — зави­симостью чувствительности приемника от частоты модуляции падающего на него потока излучения.

Спектральная чувствительность — зависимость чувствительности фотоприем­ника от длины волны X. Спектральная характеристика определяется материалом, из которого изготовлен приемник излучения. Например, CdS — максимальная чувстви­тельность в зеленой области спектра, CdSc — в красной области.

Энергетические характеристики — это зависимость величины полезного сигнала на выходе фотоприёмника от величины потока излучения, падающего на его чув­ствительную площадку.

Действие фоторезисторов основано на эффекте фотопроводимости (внутреннем фотоэффекте), заключающемся в образовании свободных носителей зарядов в полупроводнике под воздействием падающего излучения. Электрические схемы включения фоторезисторов представлены на рис. 3.11.

Рис. 3.11. Схема включения фоторезистора

Фоторезисторы находят широкое применение в силу своих преимуществ обеспечение работы САУ в широком спектральном диапазоне, хорошая пороговая чувствительность.

Фотодиоды и их разновидности (лавинные фотодиоды, pin фотодиоды, дрейфовые фотодиоды), фототранзисторы относятся к группе приемников излучения с р-п переходами. Фотодиоды работают в фотовольтаическом режиме (без внешнего источника питания) и в фотодиодном режиме (с внешним источником питания). Схема включения фотодиодов показана на рис. 3.12.

Рис. 3.12. Схема включения фотодиода: а) фотодиодный режим; б) фотовольтаический режим

Достоинствами фотодиодного режима являются: большая чувствительность, меньшая инерционность, большая линейность энергетической характеристики; не­достатком — большие шумы. Постоянная времени фотодиодов обычно около 10 -5 — 10 -6 с.

Несмотря на более высокую интегральную чувствительность, фототранзисторы уступают фотодиодам по стабильности характеристик, быстродействию и пороговым характеристикам.

В последние годы прочное место стали занимать многоэлементные твердо­тельные приемники излучения, основными преимуществами которых являются ши­рокий динамический диапазон, стабильность характеристик, малые габариты и масса, малая потребляемая мощность. Чувствительный слой многоэлементных приемников излучения состоит из отдельных элементов, разделенных малыми (до нескольких микрометров) промежутками и расположенными в виде линейки или двумерной структуры — матрицы.

Наиболее широкое применение в САУ находят приборы с зарядовой связью (ПЗС) — приемники излучения, предназначенные для формирования оптического изображения. Конструктивно ПЗС состоит из совокупности конденсаторов со структурой металл-окисел-полупроводник (МОП — конденсаторов), принцип работы описан в многочисленных учебниках и монографиях. В ПЗС осуществляется внутренняя коммутация, что создает ряд преимуществ — отсутствуют шумы коммутации, геометрический шум в ПЗС зарядовые пакеты на выходе детектируются с помощью выходного диода или плавающего затвора, имеющего малую ёмкость, вследствие чего ПЗС обеспечивает большое отношение сигнал/шум. Линейные ПЗC имеют более простую организацию считывания и, как правило, лучшее разрешение. Например, известны линейки, имеющие длину 26 мм и состоящие из 1600 элементов, размер ячейки по оси сканирования составляет 16 мкм, разрешение равно 800 пар линий. В настоящее время разработаны матрицы с форматом изображения 12,5×12,5 мм и с числом элементов (480×380) и (496×576).

Статическая характеристика ПЗС приведена на рис. 3.13. Выходной сигнал зависит от энергии падающего излучения и от времени интегрирования, оба параметра связаны линейной зависимостью:

/>(3.8)

где К — постоянная, зависящая от параметров источника, среды и оптической системы.

Рис. 3.13. Статистическая характеристика ПЗС

В системе контроля печатных плат и фотошаблонов оптико-электронный преобразователь предназначен для получения полной информации о контролируемом объекте (рис. 3.14).

Рис. 3.14. Оптико-электронный преобразователь

Печатная плата ПП освещается, оптическая система ОС формирует изображе­ние ПП в плоскости матрицы ПЗС типа К1200ЦМ1. Изображение размерностью (256×256) и 16 градациями яркости обрабатывается по соответствующим алгоритмам работы системы измерение габаритов ПП, размеров отверстий и контактных площадок, оценка разрывов и недопустимых сближений проводников и т.д.

ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Оптоэлектроника сочетает в себе оптические и электронные методы измерений. В настоящее время идет активное вытеснение традиционных датчиков волоконно-оптическими, которые обеспечивают стабильную работу в условиях сильных электромагнитных полей, а также в агрессивных и во взрывоопасных средах. На основе оптоэлектронных преобразователей созданы датчики давления, силы, перемещения, скорости, акустических параметров, напряженности электрического и магнитного полей.

На рис. 5.1 представлен спектр всех электромагнитных колебаний. Из рисунка видно, что видимый свет вместе с прилегающими к нему ультрафиолетовым (УФ) и инфракрасным (ИК) излучением составляет лишь небольшую часть всей полосы частот электромагнитного излучения. Эта полоса оптических частот относится к области измерений, которую принято называть радиометрией. Та часть радиометрии, которая относится только к видимому свету, называется фотометрией.

На рис. 5.2 представлен спектр оптических излучений. Масштаб по вертикальной оси здесь не соблюдается (это невозможно). Поэтому следует руководствоваться цифрами, указанными на вертикальной оси.

Оптическое излучение представляет собой электромагнитные волны в диапазоне длин волн от 0,001 до 1000 мкм. Этот диапазон длин волн, в свою очередь, принято делить на три поддиапазона — ультрафиолетовую область, область видимого света и область инфракрасного излучения.

Рис. 5.1. Спектр электромагнитного излучения

Рис. 5.2. Спектр оптического излучения

Ультрафиолетовая область делится на крайний ультрафиолет (длина волны равна 10. 200 нм), далекий ультрафиолет (длина волны 200. 300 нм) и близкий ультрафиолет (длина волны 300. 370 нм).

Видимая область спектра составляет диапазон длин волн от 370 до 770 нм. Она является видимой для глаза человека и делится на цвета, основные из которых показаны на рис. 5.2.

Инфракрасное излучение лежит между видимой областью и микроволнами и, в свою очередь, делится на четыре полосы, как показано на рис. 5.2.

Для описания оптических явлений используются три системы величин: энергетическая, световая и квантовая. В энергетической и световой системах основной единицей является поток излучения. В энергетической системе поток измеряется в ваттах, а в световой — в люменах. В квантовой системе свет рассматривается как поток частиц — квантов. Для характеристики оптических явлений здесь часто используют такое понятие, как «интенсивность света», под которым может пониматься и яркость света, и его сила, и величина потока и т.д.

Обычно световой поток состоит из излучений с различными частотами (представляет собой смесь различных цветов), но при создании оптических преобразователей желательно использовать световой поток, состоящий из излучения одной какой-либо частоты. Такой одночастотный поток называют монохроматическим.

Если волны отдельных излучений, из которых состоит поток, находятся в одной и той же фазе по отношению друг к другу, то такой поток называют когерентным.

Когда световой поток проходит через границу раздела двух сред, то его направление меняется, происходит так называемое преломление света. Показатель преломления для данной пары оптических сред определяется как отношение синусов угла падения (т. е. угла между направлением излучения и перпендикуляра к границе раздела сред, проведенным в точке падения) и угла преломления (подобного же угла, но после того, как излучение продолжит свой путь в другой оптической среде). Обычно показатель преломления в зависимости от пары используемых материалов и от длины волны света лежит в пределах 1. 3.

Когда свет падает на какую-либо поверхность, часть его преломляется, часть отражается, а часть проходит сквозь среду, раздел с которой образует рассматриваемую поверхность. Коэффициент отражения меняется в зависимости от состояния и свойств этой поверхности и длины волны падающего света. Он колеблется от 98 % (для полированной поверхности, покрытой окисью магния) до 1 % (для закопченной поверхности).

В том случае, когда высота шероховатостей отражающей поверхности оказывается меньше длины волны падающего на нее света, происходит так называемое зеркальное отражение. Для зеркального отражения характерно отсутствие рассеяния света.

В тех случаях, когда при отражении света преобладает его рассеяние, имеет место так называемое диффузное отражение.

Скорость света в среде для излучений с различными длинами волн также будет различной. Это приводит к так называемой дисперсии света.

В любой среде часть светового потока рассеивается и поглощается. Поглощенный свет в конечном итоге превращается в теплоту, так что освещаемое тело нагревается.

Коэффициент пропускания характеризует, какая часть светового потока, падающего на поверхность оптической среды, проникает в глубь этой среды. В зависимости от свойств среды и длины световой волны этот коэффициент меняется от нуля до 75 %.

Существует два основных метода измерения параметров оптического излучения: метод радиометрии и метод фотометрии.

Метод радиометрии позволяет определять энергию оптического излучения путем ее поглощения и преобразования в соответствующем датчике с последующим определением изменения температуры.

Метод фотометрии основан на зрительном ощущении изменений видимого света, и основным чувствительным элементом в этом случае является человеческий глаз.