2. Приемники излучения фотоэлектрических датчиков
К приемникам излучения на основе внешнего фотоэффекта относятся электровакуумные или газонаполненные фотоэлементы, фотоэлектронные умножители и передающие электронно-лучевые трубки. К приемникам излучения на основе внутреннего фотоэффекта относятся фоторезисторы, фотодиоды и фототриоды. Все приемники излучения являются электронными и полупроводниковыми приборами и изучаются в курсе электроники. Здесь будут рассмотрены только краткие физические основы их работы и характеристики тех приемников излучения, которые нашли применение в системах автоматики.
Рис. 2. Схема включения фотоэлемента
На рис. 2 приведена схема включения вакуумного фотоэлемента. Анод А и катод К фотоэлемента находятся в стеклянном баллоне, из которого откачан воздух. Когда световой поток падает на катод, покрытый активным слоем, электроны получают энергию, позволяющую им вылететь из катода. Это явление называется фотоэлектронной эмиссией. Под действием источника питания с ЭДС Е между катодом и анодом создается электрическое поле, которое и заставляет электроны перемещаться от катода к аноду.
В электрической цепи создается электрический ток, называемый фототоком. Когда действие света прекращается, ток в фотоэлементе и внешней электрической цепи исчезает.
Зависимость фототока от светового потока называется световой характеристикой. Эта характеристика при постоянных значениях Е и R практически линейная. Фотоэлемент характеризуется также чувствительностью, которая равна отношению фототока (в микроамперах) к световому потоку (в люменах). В газонаполненных фотоэлементах благодаря ионизации молекул газа, заполняющего баллон, фототок увеличивается. Поэтому чувствительность газонаполненных фотоэлементов больше, чем у вакуумных. Однако световая характеристика вакуумного фотоэлемента более стабильна, менее зависима от колебаний напряжения питания, чем у газонаполненных элементов. Поэтому для целей автоматического измерения чаще применяются вакуумные фотоэлементы.
Промышленностью серийно выпускаются электровакуумные фотоэлементы типа СЦВ (сурьмяно-цезиевый, вакуумный) и типа Ф разных модификаций. Например, фотоэлемент типа Ф-1 имеет наилучшую чувствительность при λ=0,215 мкм, Ф-3 — при λ = 0,750 мкм, Ф-5 — при λ = 1,1 мкм. Это означает, что фотоэлемент Ф-1 реагирует на ультрафиолетовое излучение, Ф-3 — на видимый свет, Ф-5 — на инфракрасный цвет. Фотоэлементы работоспособны и при других длинах волн, но выходной сигнал при этом будет меньше. На рис. 3, а показан фотоэлемент типа СЦВ-4, имеющий размеры диаметр 27 мм и длину 62 мм и интегральную чувствительность 80 мкА/лм. Фотоэлектронные умножители (ФЭУ) в отличие от фотоэлементов имеют дополнительные электроды. Благодаря вторичной эмиссии электронов из этих электродов чувствительность ФЭУ во много раз превышает чувствительность фотоэлементов. Однако для ФЭУ требуется и значительно большее напряжение питания.
Рис. 3. Конструкции фотоэлементов (а, б, в, г) и спектральные характеристики (д)
Фоторезистор состоит из светочувствительного слоя полупроводника толщиной около микрометра, нанесенного на стеклянную или кварцевую пластинку. Токосъемные электроды выполнены с применением драгоценных металлов. При внутреннем фотоэффекте под действием светового потока в полупроводнике появляются дополнительные свободные электроны, благодаря чему увеличивается электропроводность, а сопротивление фоторезистора уменьшается.
Промышленностью выпускаются фоторезисторы типов СФ, ФР, ФС различных модификаций. В них используются полупроводниковые материалы: сернистый кадмий, сернистый свинец, германий, индий и др.
На рис. 3, б, в, г показан внешний вид некоторых фоторезисторов, а на рис. 3, д — спектральные характеристики фоторезисторов из некоторых полупроводниковых материалов. По вертикальной оси отложена чувствительность в относительных единицах, а по горизонтальной — длина волны монохроматического (т. е. определенного цвета) светового потока. Вид кривой (острый пик или пологая вершина) зависит и от технологии изготовления полупроводникового материала.
Надо отметить, что чувствительность схем с фоторезисторами во много раз больше, чем схем с фотоэлементами. Например, фоторезистор типа СФЗ-2А имеет в освещенном состоянии ток в 3 мА. При отсутствии света и напряжении на фоторезисторе в 10 В через него протекает ток в 2 мкА. Таким образом, кратность изменения сопротивления может достигать 3 10 -3 /(2 10 -6 ) = 1500.
Для автоматического измерения фоторезисторы используют чаще всего в мостовой схеме. Для исключения погрешности из-за потока излучения фона в два плеча моста включают одинаковые фоторезисторы, один из которых воспринимает только излучение фона, а другой освещается одновременно измеряемым объектом и фоном.
К недостаткам фоторезисторов следует отнести их инерционность. Она заключается в том, что при освещении фоторезистора фототок не сразу достигает своего конечного значения, а при прекращении освещения ток снижается до первоначального значения также не мгновенно, а по истечении определенного времени. Постоянная времени фоторезисторов составляет десятые и сотые доли секунды. Еще один недостаток фоторезисторов — зависимость сопротивления от температуры.
Фотодиодами называются полупроводниковые приборы, основанные на внутреннем фотоэффекте и использующие одностороннюю проводимость p-n-перехода.
Различают два режима работы фотодиодов: фотогальванический и фотодиодный. В фотогальваническом режиме не требуется источник питания, поскольку при освещении р-п-перехода появляется ЭДС, под действием которой возникает ток во внешней цепи. В этом режиме фотодиод непосредственно преобразует энергию света в электрическую энергию. При освещенности в 8 10 3 лк фотоЭДС составляет около 0,1 В. В фотодиодном режиме к фотодиоду прикладывается напряжение обратной полярности, т. е. такое, при котором обычный диод не проводил бы ток. При освещении фотодиода (его n-области) обратный ток резко увеличивается, фотодиод начинает проводить ток в обратном направлении.
Рис. 4. Конструкции и устройство фотодиодов
Промышленностью выпускаются фотодиоды типа ФД различных модификаций. В качестве материала чувствительного слоя используются германий, кремний, селен. На рис. 4, а, б показаны конструкции некоторых фотодиодов, на рис. 4, в — его устройство. На металлическую пластинку 1 наносится слой полупроводника 2, поверх которого осаждается полупрозрачная пленка золота 3. Между золотой пленкой и полупроводником создается запирающий слой. Поверх пленки 3 накладывается защитный слой прозрачного лака 4. С внешней цепью фотодиод соединяется с помощью выводов, одним из которых является контактное металлическое кольцо 5.
При замыкании фотодиода на сопротивление нагрузки по внешней цепи потечет ток, зависящий от светового потока. Такой режим работы фотодиода называется фотогальваническим. В этом режиме фотодиод непосредственно преобразует энергию света в электроэнергию. Чувствительность фотодиода к суммарному световому потоку при коротком замыкании селеновых фотоэлементов довольно велика и составляет 0,5 мА на 1 лм. При увеличении внешнего сопротивления в цепи фотодиода его чувствительность падает. Инерционность фотодиодов примерно на порядок меньше, чем у фоторезисторов.
Фотодиоды чаще используются не для целей автоматического измерения, а в схемах фотореле. Для этих же целей используются и фототранзисторы, совмещающие свойства фотодиода и усилительного транзистора.
Какой элемент относится к фотоэлектрическому приемнику излучения
Приемник излучения
Приемниками электромагнитного излучения называются чувствительные органы или устройства, так или иначе реагирующие на падающее на них излучение. К ним относится и глаз (см. здесь) человека, который на протяжении почти всей истории астрономических наблюдений был единственным приемникам излучения. Искусственные приемники электромагнитного излучения стали использоваться в астрономии только последние сто лет. Первым искусственным приемником излучения была фотоэмульсия (см. здесь), нанесенная на стеклянные пластинки, а затем появилось большое разнообразие фотоэлектрических приемников. Многие из них были созданы в свое время для решения специфических прикладных задач, не связанных с исследованием Вселенной.
В качестве антенных приемников излучения применяются колебательные контуры, принимающие радиоизлучение в пределах узких диапазонов частот. Антенный приемник действует подобно монохроматору. Потоки радиоизлучения от космических объектов, как правило, очень слабы и тонут в радиопомехах, имеющих самые разнообразные частоты. Задачу выделения потоков от космических радиоисточников можно сравнить с попытками наблюдения звезд на дневном небе. Поэтому сигнал, полученный антенным приемником, усиливается и подвергается преобразованиям электронными устройствами, прежде чем регистрируется измерительными и записывающими приборами. См. также Телескоп, радио.
болометр (от греч. bolh — bole — бросок, луч и …метр)
Болометр относится к тепловым приемникам излучения, которые в принципе должны поглощать и преобразовывать в тепло все падающее на них излучение. Идеальным болометром могло бы служить абсолютно черное тело. Однако реально существующие черные вещества поглощают электромагнитное излучение лишь в определенной, хотя и достаточно широкой области длин его волн. Например, сажа поглощает излучение от самых коротких длин волн до 12 микрон, а для больших длин волн она прозрачна.
Обычно болометр состоит из тонкой, толщиной до 0,1 микрона, полоски металла, подвешенной в вакуумированной колбе с прозрачным окошком и подключенной в электрическую измерительную цепь. При нагревании электрическое сопротивление полоски увеличивается, что уменьшает величину тока в цепи. Измерение потоков излучения с помощью болометров позволяют определить абсолютные величины таких параметров, как светимость и температура источника.
Существует несколько видов приемников электромагнитного излучения гамма- диапазона.
Регистрация фотонов с энергиями от 0,2 до 12 миллионов электронвольт производится с применением сцинциляционных датчиков. Для этого, например, используются кристаллы йодистого натрия. Импульсы ультрафиолетового и видимого излучения, возникшие в них под действием гамма-квантов, фиксируются фотоумножителями (см. здесь).
Регистрация фотонов с энергиями от 50 миллионов до 5 миллиардов электронвольт производится с помощью трековых камер. При взаимодействии гамма-квантов с веществом рождаются электронно-позитронные пары. Они, в свою очередь, ионизируют атомы газа в камерах, предназначенных для фиксирования таких событий.
С регистрацией гамма-фотонов, обладающих энергией от 12 до 50 миллионов электронвольт, существует проблема, т.к. для этого диапазона применение и сцинциляционных датчиков, и трековых камер неэффективно.
Для наблюдений гамма-квантов с энергиями более 10 миллиардов электронвольт используется то обстоятельство, что при входе в земную атмосферу они вызывают ливни заряженных частиц. Эти частицы фиксируются датчиками вызываемого ими черенковского излучения. Множество таких датчиков располагается на земной поверхности и покрывает площадь до ста тысяч квадратных метров.
Глаз человека не обладает такой зоркостью, как глаз орла или чувствительностью, как глаз совы. Однако некоторые его свойства сравнимы или даже превосходят соответствующие параметры технических устройств. Например, динамический диапазон, т.е. отношение интенсивностей самых сильных к самым слабым сигналам, которые способно воспринимать и не искажать приемное устройство, у глаза значительно шире, чем у многих искусственных приемников излучения. Глаз адаптируется в диапазоне изменения освещенности, от дня к безлунной ночи, в миллиарды раз. При этом если индивидуальное ощущение яркости световых источников изменяется в арифметической прогрессии, то на самом деле световой поток меняется в геометрической прогрессии. Таким образом, человеческий глаз как бы сглаживает изменения интенсивности светового потока. В связи с этим шкала звездных величин не прямо пропорциональна блеску небесных объектов, т.к. первоначально она основывалась на визуальных его оценках. Изменение диаметра зрачка может обеспечить адаптацию глаза к изменению светового потока всего в сто раз. Основную же роль в адаптации играет переход от дневного к ночному зрению, за которые ответственны различные рецепторы сетчатки глаза. Дневное зрение обеспечивается фотохимической реакцией содержащегося в «колбочках» — их в сетчатке содержится 5-10 миллионов — иодопсина, а ночное — находящегося в «палочках» родопсина. «Палочек» в сетчатке содержится около 100 миллионов, но они объединены в группы, покрывающие небольшие участки глазного дна, и с глазным нервом связана только такая группа, в то время как каждая «колбочка» имеет свою собственную связь с головным мозгом. Здесь надо заметить, что фотохимические реакции родопсина не обеспечивают цветного зрения, поэтому уже в сумерках, при переходе к ночному зрению, человек перестает различать цвета.
При полной адаптации к темноте, занимающей не менее одного часа, глаз способен обнаружить звезду восьмой звездной величины, что эквивалентно получению от нее всего 50 квантов света в секунду. Максимум спектральной чувствительности глаза приходится на длину волны 555 ангстрем, т.е. на желтую часть оптического диапазона спектра электромагнитного излучения. Она совпадает с максимумом спектра излучения Солнца, что вполне естественно, учитывая, что подавляющую часть своей истории наши предки провели при естественном освещении и эволюционное развитие человеческого глаза происходило под воздействием солнечного света.
Разрешающая способность глаза при наблюдении двух точечных объектов — 1 угловая минута, что соответствует расстоянию между их изображениями на сетчатке в 5 микрон. Однако электрический провод заметен на фоне неба, даже когда его толщина равна 1 секунде дуги, но из-за того, что его изображение пресекает много элементов сетчатки.
ПЗС-матрица — это устройство, состоящее из множества компактно расположенных и очень маленьких фотоэлектрических приемников излучения — пикселей. Аббревиатура ПЗС расшифровывается как прибор с зарядовой связью ( CCD — Charge Coupled Devices ).
ПЗС-матрицы чаще всего имеют квадратную форму и полностью заполнены пикселями так, что по одной стороне квадрата их укладывается несколько тысяч, т. е. по всей поверхности квадрата их насчитывается десятки миллионов. Каждый пиксель является самостоятельным приемником света, что позволяет зарегистрировать спроектированное на матрицу изображение. Его можно обрабатывать с помощью электронных устройств или компьютеров, записывать на магнитные носители и передавать по линиям связи. ПЗС-матрицы широко используются в строящих изображения устройствах космических аппаратов.
рентгеновский
Существует несколько видов приемников электромагнитного излучения рентгеновского спектрального (см. Спектр) диапазона.
Регистрация фотонов с энергиями менее 30 тысяч электронвольт производится с использованием фотоэффекта. Для этого применяются газонаполненные пропорциональные счетчики. Они обычно заполнены смесью аргона или ксенона с метаном или углекислым газом. Амплитуды электрических импульсов на выходе такого счетчика пропорциональны энергиям приходящих фотонов.
Регистрация фотонов с энергиями от 30 тысяч до 10 миллионов электронвольт возможна с применением сцинциляционных детекторов. Для этого используются кристаллы йодистого натрия или йодистого цезия со специальными добавками. Импульсы ультрафиолетового и видимого излучения, возникшие в них под действием рентгеновских квантов, фиксируются фотоумножителями (см. здесь).
В области рентгеновского излучения длиннее десяти ангстрем используются диодные или ПЗС-матрицы (см. здесь), фотоумножители и микроканальные пластины.
фотодиод (от греч. fwto V — f otos — свет, . диод)
Полупроводниковое устройство, в котором возникает разность электрических потенциалов под действием падающего на него электромагнитного излучения. При этом, как и в случае фотосопротивления (см. здесь), используется внутренний фотоэффект. Однако в отличие от фотосопротивления в фотодиоде образуется полупроводниковый запирающий слой и избыток не связанных с атомами электронов возникает только в одной его части. По величине тока в электрической цепи, замыкающей две части фотодиода, можно судить об интенсивности падающего на него излучения.
ф отосопротивление (от греч. fwto V — f otos — свет, . сопротивление)
Фотосопротивление изменяет свое электрическую проводимость под действием электромагнитного излучения. При этом используется внутренний фотоэффект. Он состоит в том, что электроны, выбитые фотонами электромагнитного излучения из своих атомных оболочек, не покидают электрический проводник, на который падает излучение. Число находящихся в фотосопротивлении обобществленных электронов пополняется, т.е. его сопротивление уменьшается пропорционально интенсивности падающего на него излучения.
фотоумножитель (от греч. fwto V — f otos — свет, . умножитель)
Фотоумножитель позволяет регистрировать очень слабые потоки видимого и ультрафиолетового электромагнитного излучения. Это достигается использованием внешнего фотоэффекта, при котором «выбитые» фотонами из фотокатода — катода со специальным покрытием — электроны вылетают внутрь цилиндрической колбы, из которой откачан воздух. В ней смонтирован ряд металлических пластинок — динодов, между которыми созданы разности потенциалов электрического поля (см. Поле физическое, электромагнитное). Потенциалы динодов растут от катода к аноду. Падая на первый динод, каждый разогнавшийся под действием разности потенциалов электрон выбивает уже несколько таких же частиц. Эти электроны, в свою очередь, ускорившись, падают на следующий динод и т. д. Происходит лавинообразное увеличение числа электронов, и на анод обрушивается в десятки и сотни миллионов большее их количество, чем-то, что было выбито из фотокатода. Возникающий в электрической цепи, соединяющей анод и катод, ток пропорционален интенсивности падающего на фотоумножитель излучения.
ф отоэмульсия (от греч. fwto V — f otos — свет и от лат. emulsus — выдоенный)
Состоит из желатина, в котором взвешены кристаллики бромистого серебра, и наносится на фотографическую основу: пластинку или пленку. Если спроектировать на фотоэмульсию изображение объекта — произвести экспозицию, то под действием электромагнитного излучения молекулы, из которых состоят кристаллики, переходят в возбужденное энергетическое состояние — инициируются. Проявитель вступает в химическую реакцию только с тем бромистым серебром, которое было инициировано излучением. В результате реакции в тех местах, куда оно упало, образуется чистое металлическое серебро, причем его тем больше, чем более интенсивным было упавшее излучение.
Затем, чтобы лишить фотоэмульсию способности воспринимать свет, ее обрабатывают закрепителем — фиксатором, который удаляет оставшиеся молекулы бромистого серебра. После промывания и просушивания на фотографической основе остается черное металлическое серебро, образующее негативное изображение объекта.
Несмотря на то, что фотопластинки начали применяться в астрономии как приемники света первыми, они продолжают оставаться необходимыми и поныне, т.к. обладают очень важным качеством — документальностью. В обсерваториях мира за последние сто лет отсняты многие тысячи фотопластинок. Исследования переменных звезд, поиски еще не открытых малых планет, новых и сверхновых звезд пока невозможны без сравнения между собой полученных в разное время фотоизображений одних и тех же участков неба (см. Звезды, новые; переменные).
электронно — оптический преобразователь
Электронно — оптический преобразователь (ЭОП) позволяет трансформировать полученное в невидимых инфракрасных лучах изображение в видимое глазом (см. здесь). С помощью оптической системы изображение объекта, испускающего электромагнитное излучение в инфракрасном диапазоне, строится на фотокатоде этого прибора. Выбитые из него фотонами электроны, так же как это происходит в фотоумножителе (см. здесь), вылетают внутрь вакуумированной колбы. Они фокусируются с помощью электрического поля (см. Поле физическое, электромагнитное) на флюоресцирующий экран, подобный телевизионному, где возникает видимое глазом изображение. Первоначально электронно-оптические преобразователи начали использоваться в приборах для ночного наблюдения в интересах спецслужб и военных.
§ 12.2. Приемники излучения фотоэлектрических датчиков
вые трубки. К приемникам излучения на основе внутреннего фотоэффекта относятся фоторезисторы, фотодиоды и фототриоды. Все приемники излучения являются электронными и полупроводниковыми приборами и изучаются в курсе электроники. Здесь будут рассмотрены только краткие физические основы их работы и характеристики тех приемников излучения, которые нашли применение в системах автоматики.
На рис. 12.2 приведена схема включения вакуумного фотоэлемента. Анод А и катод К фотоэлемента находятся в стек-
лянном баллоне, из которого откачай воздух. Когда световой поток падает на катод, покрытый активным слоем, электроны получают энергию, позволяющую им вылететь из катода. Это явление называется фотоэлектронной эмиссией. Под действием источника В приемниках светового потока фотоэлектрических датчиков используется фотоэффект. Под фотоэффектом понимают изменение свойств материала при изменении его освещенности. Различают внешний, внутренний и вентильный фотоэффект. Внешний фотоэффект состоит в том, что под влиянием потока излучения электроны вылетают из катода электронной лампы и ток эмиссии зависит от освещенности катода. Внутренний фотоэффект проявляется в том, что активное сопротивление полупроводникового материала зависит от его освещенности. При вентильном фотоэффекте между слоями освещенного проводника и неосвещенного полупроводника, разделенных тонким изоляционным слоем, возникает ЭДС, которая зависит от освещенности. При внешнем фотоэффекте носители тока выходят за пределы материала, при внутреннем — остаются внутри полупроводника. Вентильный фотоэффект, строго говоря, тоже является внутренним фотоэффектом.
Все фотоэлектрические датчики являются селективными (избирательными), т. е. их чувствительность зависит от частоты светового излучения. Иными словами, эти датчики реагируют на определенный цвет: красный, зеленый, синий или другой, включая и невидимую часть спектра (инфракрасное и ультрафиолетовое излучения). Диапазон длин волн видимого света =0,38 0,78 мкм. Более короткие волны относятся к ультрафиолетовому диапазону, более длинные — к инфракрасному.
питания с ЭДС Е между катодом и анодом создается электрическое поле, которое и заставляет электроны перемещаться от катода к аноду. В электрической цепи создается электрический ток, называемый фототоком. Когда действие света прекращается, ток в фотоэлементе и внешней электрической цепи исчезает.
Зависимость фототока от светового потока называется световой характеристикой. Эта характеристика при постоянных значениях Е и R практически линеиная. Фотоэлемент характеризуется также чувствительностью, которая равна отношению фототока (в микроамперах) к световому потоку (в люменах). В газонаполненных фотоэлементах благодаря ионизации молекул газа, заполняющего баллон, фототок увеличивается. Поэтому чувствительность газонаполненных фотоэлементов больше, чем у вакуумных. Однако световая характеристика вакуумного фотоэлемента более стабильна, менее зависима от колебаний напряжения питания, чем у газонаполненных элементов. Поэтому для целей автоматического измерения чаще применяются вакуумные фотоэлементы.
Промышленностью серийно выпускаются электровакуумные фотоэлементы типа СЦВ (сурьмяно-цезиевый, вакуумный) и типа Ф разных модификаций. Например, фотоэлемент типа Ф-1 имеет наилучшую чувствительность при =0,215 мкм, Ф-3 — при = =0,750 мкм, Ф-5 — при = 1,1 мкм. Это означает, что фотоэлемент Ф-1 реагирует на ультрафиолетовое излучение, Ф-3 — на видимый свет, Ф-5 — на инфракрасный цвет. Фотоэлементы работоспособны и при других длинах волн, но выходной сигнал при этом будет меньше. На рис. 12.3, а показан фотоэлемент типа СЦВ-4, имеющий размеры диаметр 27 мм и длину 62 мм и интегральную чувствительность 80 мкА/лм. Фотоэлектронные умножители (ФЭУ) в отличие от фотоэлементов имеют дополнительные электроды. Благодаря вторичной эмиссии электронов из этих электродов чувствительность ФЭУ во много раз превышает чувствительность фотоэлементов. Однако для ФЭУ требуется и значительно большее напряжение питания.
Фоторезистор состоит из светочувствительного слоя полупроводника толщиной около микрометра, нанесенного на стеклянную или кварцевую пластинку. Токосъемные электроды выполнены с применением драгоценных металлов. При внутреннем фотоэффекте под действием светового потока в полупроводнике появляются дополнительные свободные электроны, благодаря чему увеличивается электропроводность, а сопротивление фоторезистора уменьшается.
Промышленностью выпускаются фоторезисторы типов СФ, ФР, ФС различных модификаций. В них используются полупроводниковые материалы: сернистый кадмий, сернистый свинец, германий, индий и др.
На рис. 12.3, б, в, г показан внешний вид некоторых фоторезисторов, а на рис. 12.3, д — спектральные характеристики фоторезисторов из некоторых полупроводниковых материалов. По вертикальной оси отложена чувствительность в относительных единицах, а по горизонтальной — длина волны монохроматического (т. е. определенного цвета) светового потока. Вид кривой (острый пик или пологая вершина) зависит и от технологии изготовления полупроводникового материала.
Надо отметить, что чувствительность схем с фоторезисторами во много раз больше, чем схем с фотоэлементами. Например, фоторезистор типа СФЗ-2А имеет в освещенном состоянии ток в 3 мА. При отсутствии света и напряжении на фоторезисторе в 10 В через него протекает ток в 2 мкА. Таким образом, кратность изменения сопротивления может достигать 3-10 -3 /(2-10 -6 ) = 1500.
Для автоматического измерения фоторезисторы используют чаще всего в мостовой схеме. Для исключения погрешности из-за потока излучения фона в Два плеча моста включают одинаковые фоторезисторы, один из которых воспринимает только излучение фона, а другой освещается одновременно измеряемым объектом и фоном.
К недостаткам фоторезисторов следует отнести их инерционность. Она заключается в том, что при освещении фоторезистора фототок не сразу достигает своего конечного значения, а при прекращении освещения ток снижается до первоначального значения также не мгновенно, а по истечении определенного времени. Постоянная времени фоторезисторов составляет десятые и сотые доли секунды. Еще один недостаток фоторезисторов — зависимость сопротивления от температуры.
Фотодиодами называются полупроводниковые приборы, основанные на внутреннем фотоэффекте и использующие одностороннюю проводимость р-п-перехода.
Различают два режима работы фотодиодов: фотогальванический и фотодиодный. В фотогальваническом режиме не требуется источник питания, поскольку при освещении р-л-перехода появляется ЭДС, под действием которой возникает ток во внешней цепи. В этом режиме фотодиод непосредственно преобразует энергию света в электрическую энергию;
При освещенности в 8-10 3 лк фотоЭДС составляет около 0,1 В. В фотодиодном режиме к фотодиоду прикладывается напряжение обратной полярности, т. е. такое, при котором обычный диод не проводил бы ток. При освещении фотодиода (его п-области) обратный ток резко увеличивается, фотодиод начинает проводить ток в обратном направлении.
П ромышленностью выпус каются фотодиоды типа ФД различных модификации. В качестве материала чувствительного слоя используются германий, кремний, селен. На рис. 12.4, а, б показаны конструкции некоторых фотодиодов, на рис. 12.4, в — его устройство. На металлическую пластинку 1 наносится слой полупроводника 2, поверх которого осаждается полупрозрачная пленка золота 3. Между золотой пленкой и полупроводником создается запирающий слой. Поверх пленки 3 накладывается защитный слой прозрачного лака 4. С внешней цепью фотодиод соединяется с помощью выводов, одним из которых является контактное металлическое кольцо 5.
При замыкании фотодиода на сопротивление нагрузки по внешней цепи потечет ток, зависящий от светового потока. Такой режим работы фотодиода называется фотогальваническим. В этом режиме фотодиод непосредственно преобразует энергию света в электроэнергию. Чувствительность фотодиода к суммарному световому потоку при коротком замыкании селеновых фотоэлементов довольно велика и составляет 0,5 мА на 1 лм. При увеличении внешнего сопротивления в цепи фотодиода его чувствительность падает. Инерционность фотодиодов примерно на порядок меньше, чем у фоторезисторов.
Фотодиоды чаще используются не для целей автоматического измерения, а в схемах фотореле; Для этих же целей используются и фототранзисторы, совмещающее свойства фотодиода и усилительного транзистора.
Какой элемент относится к фотоэлектрическому приемнику излучения
Приёмники излучения – это устройства для преобразования сигналов электромагнитного излучения (в диапазоне от рентгеновских лучей с длиной волны λ = 10 -9 см до радиоволн с λ = 10 -1 см) в сигналы другой физической природы с целью их обнаружения и использования (изучения) информации, которую они несут. Преобразование сигналов в приёмниках излучения осуществляется в процессе взаимодействия поля электромагнитного излучения с тем или иным веществом; поле изменяет энергетические состояния электронов, атомов или молекул вещества, и эти изменения регистрируются.
Существуют различные типы приёмников излучения, в которых используются вещества в разных агрегатных состояниях. Так, например, излучение может ионизовать газ, вызывая в нём электрический разряд; в этом случае регистрируется импульс тока или напряжения, а приёмник излучения называется счётчиком фотонов. Возможна регистрация увеличения объёма газа, нагреваемого поглощённым излучением; таков принцип действия оптико-акустических (пневматических) приёмников излучения, которые могут работать во всей указанной области спектра, но чаще применяются в далёкой инфракрасной (ИК) области в диапазоне длин волн 50–1000 мкм. Самую обширную группу составляют приёмники излучения из чувствительного к излучению твёрдого вещества. К ним относятся болометры, у которых при поглощении излучения меняется сопротивление электрическому току; термоэлементы, реакция которых на нагрев излучением состоит в появлении термо-эдс; пироэлектрические приёмники излучения, изготовляемые из кристаллов сегнетоэлектриков ‑ при взаимодействии с излучением на их поверхности появляется статический электрический заряд. Все эти приёмники излучения относятся к тепловым, т.к. в механизме преобразования энергии в них основную роль играет нагрев вещества излучением. Они применяются во всей рассматриваемой области спектра.
Наряду с одноэлементными существуют многоэлементные приёмники излучения с отдельными приёмными элементами, дискретно или непрерывно распределёнными по поверхности. Они служат для получения двумерного изображения излучающего объекта. Классическим примером таких приёмников являются фотопластинки и фотоплёнки. К ним относятся также электроннооптические преобразователи (работают при l−1,2 мкм), телевизионные передающие трубки, люминесцентные преобразователи (с т.н. тепловым гашением для всей рассматриваемой области спектра и «вспышечные» для излучения с l ~ 2 мкм), многоплощадочные полупроводниковые болометры и фотосопротивления (из сернистого свинца – до λ ~ 3,5 мкм, из сурьмянистого индия – до λ ~ 5,5 мкм), эвапорографы, в которых испаряется нагреваемая излучением плёнка масла, и пр.
Важный параметр любого приёмника излучения – отношение полезного сигнала к уровню помех; в процессе преобразования приёмник не должен существенно ухудшать эту величину. Способность приёмника излучения регистрировать сигналы минимальной длительности характеризуется его постоянной времени. Для практических целей важны такие характеристики как коэффициент преобразования и пороговая чувствительность – величина минимального сигнала, обнаруживаемого приёмником. Чувствительность лучших счётчиков и фотоумножителей такова, что позволяет регистрировать отдельные фотоны падающего излучения. Приёмники излучения ИК диапазона менее чувствительны. Величина D*, обратная пороговой чувствительности, отнесённой к единице полосы рабочих частот и к единице площади приёмной поверхности, для тепловых приёмников достигает 10 9 , для фотоэлектрических – 10 12 (для λ ~ 3 мкм) и 10 10 –10 11 (для λ ~ 1000 мкм), постоянная времени электроннооптических преобразователей – до 10 -12 сек, специальных фотоэлементов – до 10 -9 сек, фотоэлектрических приёмников излучения с внутренним фотоэффектом – 10 -7 сек, в некоторых случаях (например, у примесных фотосопротивлений) – до 10 -10 сек, тепловых приёмников излучения – до 10 -9 сек, но чаще (при высоких D*) 10 -2 –10 -3 сек.