Дисц. "Сензорна техника"

Дисц. “СЕНЗОРНА ТЕХНИКА”

Кат. “ЕТМ”
ЛАБОРАТОРНО УПРАЖНЕНИЕ
“ИЗСЛЕДВАНЕ НА ОПТИЧНИ СЕНЗОРИ”
ТЕОРЕТИЧНА ПОСТАНОВКА
Като приемници на светлинното лъчение най-често се използват фоторезистори, фотодиоди, фототранзистори и фототиристори. Използват се също и позиционно–чувствителни фотоприемници.

Източникът на лъчение може да бъде лампа с нажежаема жичка, светодиод или лазер. Лампите с нажежаема жичка имат недостатъчна стабилност на параметрите и ниска надеждност, което ограничава приложението им. Най-често се използват полупроводникови светодиоди.

Спектралният диапазон на фотосензора трябва да бъде съгласуван със спектралния диапазон на източника на излъчване, с който трябва да работи дадения фотосензор.

1. 
   Фоторезисторен сензор.
   

Фоторезисторите са оптични сензори, изготвени на основата на полупроводников материал с “n” или “p” проводимост – фиг.1. Под действие на светлината в обема на фоторезистора се генерират токоносители (електрон-дупка), водещи до появата на фототок If, който е функция на падащия светлинен поток Ф и приложеното напрежение Vr: If = (Vr/a).Ф,където а и γ са коефициенти (γ=0,5...1).

Характеризират се с висока чувствителност, ниско бързодействие ~ 100ms и нелинейна характеристика на преобразуване If = f (Ф).

Типично неговото съпротивление се променя от 500Ω при силна слънчева светлина до 1МΩ на тъмно. Като материали за светлочувствителен слой се използват селен, цинков сулфид, оловен сулфид, кадмий, германий. Най-широко приложение са намерили селено–кадмиевите фоторезистори. Фоторезисторите намират приложение за регулиране на осветление в охранителни и алармени системи, реагиращи на наличието на дим.

2. 
   Фотодиоден сензор.
   

Фотодиодите са оптични сензори от генераторен тип, в които обратния фототок If е линейна функция на падащия поток Ф и практически не зависи от приложеното към фотодиода обратно напрежение – фиг.2. Характезират се с високо бързодействие ~ 1μs , линейна характеристика на преобразуване и невисока чувствителност- около 20μA/1000lx. Фотодиодите намират приложение в бързи променливотокови схеми за промишленоста и комуникациите.

3. 
   Фототранзисторен сензор.
   

Фототранзисторите работят по приблизително същия начин както фотодиодите, като светлината попада върху обратно свързания колекторен преход – фиг.3. Поради усилвателните свойства на фототранзистора чувствителността е на порядък по-голяма от тази на фотодиода. За сметка на това фототранзисторите работят на значително по-ниски честоти ~ 200kHz спрямо 500MHz при фотодиодите.

4. 
   Фотопрекъсващи и фотоотразителни сензори.
   

Изградени са от инфра светодиод и фототранзистор в монолитна конструкция – фиг.4. Най-често токът на светодиода се променя в границите от 5 до 10mA, при бързодействие от 10 до 80μs. Използват се за детектиране на обекти, измерване на линейна и ъглова скорост и др. – фиг.5.

фиг.5

фиг.4

5. 
   Позиционно –чувствителен фотосензор.
   

Представлява приемник с четири светлочувствителни зони (фотодиоди) – фиг.6. Ако светлиннят сноп е в центъра на приемника, всяка от четирите зони е еднакво осветена. При изместване на светлинното петно осветеността на светлочувствителните зони е различна. Това се използва за определяне на координатите ( x,y ) на светлинното петно .

Сигналът по оста х е ( I11 + I21 ) – ( I12 + I22 ), а по оста y - ( I11 + I12 ) – ( I21+ I22 ).

фиг.6

6. 
   Линеен позиционно-чувствителен фотосензор.
   

Особенност на фотосензорът се явява линейната зависимост на изходния сигнал от пространственото положение на светлинно петно на повърхността на фотосензора. В режим на фотопотенциометър има линейна връзка на напрежението на 3^-ти електрод (колектора) от координатата на светлинното петно на повърхността. При това напрежението на този електрод се описва от израза: Ux = k.Eo.x/L, където: Ео- постоянно напрежение, приложено между 1 и 2 електрод; L- дължина на фоточувствителния слой; х- координата на центъра на светлинното петно; k- конструктивен параметър, зависещ от геометрията и интензивността на облъчване.

В качеството на опорно насочен източник на светлина като правило, се използува лъч на полупроводников лазерен диод. Работната повърхност може да има освен линейна , но и кръгова или спирална форма.

фиг.7 Структура на полупроводников позиционно-

чувствителен линеен фотосензор

фиг.8 Заместваща схема в режим на фотопотенциометър

7. Светодиоди - източници на светлина.

Неговите спектрални характеристики зависят от химическия състав на използваните в него полупроводници.

червен 610÷760 1,6÷2,0

оранжев 590÷610 2,0÷2,1

жълт 570÷590 2,1÷2,2

зелен 300÷570 1,9÷4,0

син 450÷500 2,5÷3,7

бял 450 4,0

виолет 400÷450 2,8÷4,0

ултравиолет под 400 3,1÷4,4



Интензивност на излъчване в осевата линия за инфра светодиоди при 25С и ток If = 20mA , типично J = 1 до 100mW/sr.

СХЕМА НА ОПИТНАТА ПОСТАНОВКА

ЗАДАЧИ ЗА ЛАБОРАТОРНОТО УПРАЖНЕНИЕ

1. 
   Да се разучи схемата на опитната постановка.
   

2. 
   Да се изчисли стойността на токозадаващ резистор, който е последователно свързан със светодиод. Оразмеряването да се направи за три типа светодиодни излъчвателя с червен, жълт и син цвят съгласно израза
   

3. 
   Да се определи осветеността на сензора - Е, съгласно израза Е = J/d, (W/sr/m), където d е разстоянието между светодиодния излъчвател и фотосензора, ако J = 5 mW/sr.
   

4. 
   Да се определи падащия върху фотосензора светлинен поток Ф = E.S, където активната площ на сензора за фоторезистора е 16mm, а за фотодиода е 7,5mm .
   

4. 
   Да се измери токът на тъмно за двата фотосензора Io при следните условия If = 0, Udc = 6V и Udc = 10V.
   

4. 
   Да се снеме зависимостта на тока Ip през фотосензорите от протичащия през излъчвателя ток If при следните условия:
   

- Udc = 10V ; If = 10….60mA през 10mA