Исследование работы фотоэлектрического датчика

Тема: Исследование работы фотоэлектрического датчика

Цель работы: Исследовать работу различных фотоэлектрических  датчиков.

Порядок выполнения работы

1.  Изучить  конструкцию фотоэлектрического  датчика для преобразования 

угла поворота в цифровой код

2.  Изучить  конструкцию  фотоэлектрического  датчика для измерения крутя-щего момента

3.  Изучить  конструкцию  фотоэлектрического  пирометра

4.  Изучить  конструкцию  фотоэлектрического  цифрового пирометра

5.  Описать  показанные приборы согласно  варианту.

6.  Ответить  на контрольные вопросы.

7.  Сделать  вывод о проделанной работе.

 

Ход работы

 

Вариант №	Вопрос №1	Вопрос №2
4	2	3

 

2.Фотоэлектрические датчик для измерения крутящего момента

Для измерения  крутящего момента применяются  фотоэлектрические  торзио-метры.  Перед проволочными тензометрами они имеют то преимущество, что не

нуждаются в  токосъемном  устройстве.  Они  обеспечивают бесконтактный съем сигнала  с

вращающегося  вала. Принцип действия фотоэлектрического торзиометра показан на

рисунке 2. На испытуемом валу / укреплены два диска 2,  имеющие прорези (окна) в

радиальном  направлении. Эти диски вращаются вместе с валом. Под действием момента

нагрузки вал  скручивается и диски смещаются друг относительно друга на угол,

пропорциональный моменту и расстоянию между дисками. На  неподвижной части

торзиометра расположены источник света 3  (лампа накаливания) и два фотоприемника 4.

Лампа помещена посередине между дисками, а фотоприемники  расположены по обе

стороны дисков. При отсутствии крутящего момента  прорези правого и левого дисков

находятся на одной оси и световой поток  одновременно попадает на оба фотоприемника.

Следовательно, в этом  случае фототоки обоих  приемников будут совпадать по фазе. При

увеличении крутящего момента диски смещаются друг относительно друга и освещение

фотоприемников  будет происходить не одновременно, а со сдвигом во времени. Поэтому 

фототоки приемников  4  окажутся сдвинутыми по фазе. Количество прорезей на каждом

диске и расстояние между ними обычно выбирают так, чтобы  при

 

Рис.1. Фотоэлектрический  датчик крутящего момента

 

 

 

 

 

 

максимальном  крутящем моменте фазовый сдвиг между фототоками  составлял 180°.

Измерительная цепь прибора осуществляет измерение  фазового сдвига между токами, или 

измерение времени  между  импульсами фототоков.  В  последнее время в качестве

источников  света для фотоэлектрических  датчиков все чаще применяются не лампы 

накаливания, а  светодиоды, имеющие большую  надежность и очень малое потребление 

электроэнергии  для питания.  Вообще надо отметить, что сейчас очень быстро развивается 

оптоэлектронная  техника, которая обеспечивает как  преобразование  энергии света  в

электроэнергию, так и обратное преобразование.  В качестве датчиков положения,

определения качества поверхностей, для считывания графической информации начинают

применяться отражательные оптроны.

Для высокоточных измерений малых перемещений  используют  фотоэлектриче-ские датчики, у которых между источником света и фотоприемником помещаются диски

или линейки  из прозрачного  материала с нанесенными  на них непрозрачными штрихами.

В настоящее  время известны линейки, имеющие  до тысячи штрихов на  1 мм длины.

Поэтому  даже при малом перемещении линейки  возникает значительное изменение 

сигнала фотоприемника. Еще более  высокую чувствительность можно получить с

использованием  двух  линеек, штрихи одной из которых  выполнены с небольшим

наклоном. При  взаимном перемещении таких линеек возникает так называемый

«муаровый»  эффект. При незначительном перемещении  линеек появляются темные

«муаровые»  полосы и  световой поток, падающий на фотоприемник, резко изменяется.  Во

всех рассмотренных  выше примерах сам фототок не влиял  на  точность измерения или 

преобразования. Фотоприемники работали  не в  аналоговом, а в дискретном режиме.

Такой режим  позволяет  иметь более простые  конструкции и схемы приборов, так как не

требуется обеспечить высокую стабильность светового  потока и напряжения питания.

 

3. Фотоэлектрические  пирометры

 

Однако фотоэлектрические  датчики используются и в аналоговом режиме, когда 

именно по значению фототока определяется измеряемая неэлектрическая величина. При 

измерении высоких температур (более 1000 °С) широкое распространение получили

пирометры, использующие лучистую энергию тел, температура  которых  измеряется. С 

помощью фотоэлектрических  датчиков построены  яркостные пирометры  и цветовые

пирометры.

Фотоэлектрический  яркостный пирометр  основан на использовании зависимости

между током / фотоэлемента и температурой  Т  источника излучения, освещающего

фотоэлемент. Эта зависимость  имеет вид  1=аТ,  где коэффициент  а зависит от чувстви-тельности  фотоэлемента, а я — от его спектральной характеристики. Коэффициент п

достигает 10—12 и может быть увеличен подбором соответствующих светофильтров. При

использовании в качестве фотоприемников фоторезисторов их включают в мостовую

схему (рисунок 3).

На фоторезистор ФР1 падает световой поток от контролируемого объекта. На фото-резистор ФР2 падает световой поток от лампочки  накаливания. При нарушении баланса

моста напряжение с его измерительной диагонали  подается на усилитель, который питает

лампу накаливания  и изменяет ее накал таким образом, чтобы уменьшить разбаланс

моста. Амперметр  в цепи лампы накаливания может  быть проградуирован в единицах

температуры. Градуировка проводится по показаниям образцового пирометра.

В основу работы фотоэлектрических  цветовых пирометров  положено следующее 

физическое  явление, называемое законом смещения. При нагреве тело излучает световой

поток, где  присутствуют  разные цвета, т. е. имеются  электромагнитные колебания с

разными  длинами  волн. Однако каждой температуре соответствует  определенная длина 

волны, на которой  интенсивность излучения максимальна.

В цветовых пирометрах определяется отношение интенсивностей излучения данно-го тела в лучах двух заранее выбранных длин  волн. Это отношение для каждой

температуры будет различным, оно однозначно определяет температуру тела.

 

Рис.2. Фотоэлектрический  яркостный пирометр — датчик высоких температур.

 

Ответы на контрольные вопросы.

1. Внутренний фотоэффект в полупроводниках

Одним из наиболее важных приоритетов в  развитии человечества является открытие и использование новых видов  энергии, одним из которых стало  открытие явления фотоэффекта. С 1876 года, когда в Великобритании был  создан первый фотоэлемент, до наших  дней ученые работают над совершенствованием этой технологии, повышением ее эффективности. Однако подлинная история использования  полупроводниковых преобразователей началась в 1958-м, когда на третьем  советском в качестве источника  энергии были установлены солнечные  кремниевые батареи, с тех пор  основной источник энергии в космосе. В 1974 году ученые приступили к промышленному  производству солнечных батарей  на гетероструктурах, тогда же этими батареями стали оснащаться искусственные спутники. Сейчас в мире идет работа над удвоением мощности солнечных фотоэлектрических установок. Это наиболее перспективный способ получения и использования энергии на Земле. Пока, правда, это самый дорогой вид энергии, но в перспективе ее стоимость будет сравнима с той, что вырабатывается на атомных станциях. Тем более что такая энергия экологически безопасна и запасы ее практически неисчерпаемы. По оценкам специалистов, в 2020 году до 20 % мировой электроэнергии будет производиться за счет фотоэлектрического преобразования солнечной энергии в машиностроении, приборостроении медицине, космосе и других отраслях. Уже сейчас много направлений, на которых солнечная энергия находит широкое применение-это мобильная телефонная связь, которой необходима автономное питание антенн при отсутствии линий электропередач.

Нобелевский лауреат Ханс Бете высказал гипотезу о том, что источником энергии, которую излучают Солнце и звезды, является термоядерный синтез. По сути, наше светило – это колоссальный термоядерный реактор. Строго говоря, жизнь на планете существует за счет одного главного источника – термоядерной реакции Солнца. Дальше продукты этой реакции поступают на Землю в виде световой энергии, которая нас согревает, преобразуется в электричество либо аккумулируется в виде нефти, газа, угля. Именно благодаря такому огромному потоку энергии, в той или иной форме поступающей от Солнца, можно вообще говорить о таком сложном явлении, как жизнь. Одним из направлений энергетики будущего является солнечная энергетика. На сегодняшний день наиболее эффективным способом преобразования солнечной энергии является полупроводниковый фотоэффект Внутренний или полупроводниковый фотоэффект - увеличение электропроводности полупроводников или диэлектриков под действием света. Причиной фотопроводимости является увеличение концентрации носителей заряда (электронов) в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. Для этого явления присуще такое понятие как Фотопроводимость - дополнительная электропроводность полупроводников, обусловленная действием света. Фотопроводимость зависит от рода полупроводника, его температуры, а также вида и количества примесей в нем.

Фотоэлектрические явления возникают при поглощении веществом электромагнитного излучения  оптического диапазона. К этим явлениям относится и внешний фотоэффект. Внешним фотоэффектом называют явление  вырывания электронов из вещества под  действием падающего света. Явление  внешнего фотоэффекта открыто в  1887 г. Герцем, а детально исследовано Столетовым. Теория фотоэффекта на основе квантовых представлений создана Эйнштейном.

Явление фотоэффекта получило широкое практическое применение. Приборы, в основе принципа действия которых лежит фотоэффект, называются фотоэлементами. Фотоэлементы, использующие внешний фотоэффект, преобразуют  энергию излучения в электрическую лишь частично. Так как эффективность преобразования небольшая, то в качестве источников электроэнергии фотоэлементы не используют, но зато применяют их в различных схемах автоматики для управления электрическими цепями с помощью световых пучков.

Внутренний  фотоэффект используют в фоторезисторах. Вентильный фотоэффект, возникающий  в полупроводниковых фотоэлементах  с p-n переходом, используется для прямого  преобразования энергии излучения  в электрическую энергию (солнечные  батареи). Необходимые условия для  возникновения внутреннего фотоэффекта- частица должна быть связанной, и энергия фотона должна превышать ее энергию связи. Внутренний фотоэффект может происходить в полупроводниках и диэлектриках (и в металлах тоже).

Фотоэффект  используется в фотоэлектронных  приборах, получивших разнообразные  применения в науке и технике. На фотоэффекте основано превращение  светового сигнала в электрический. Электрическое сопротивление полупроводника падает при освещении; это используется для устройства фотосопротивлений. При освещении области контакта различных полупроводников возникает фото-эдс, что позволяет преобразовывать световую энергию в электрическую. Фотоэлектронные умножители позволяют регистрировать очень слабое излучение, вплоть до отдельных квантов. Анализ энергий и углов вылета фотоэлектронов позволяет исследовать поверхности материалов. В 2004 году японские исследователи создали новый тип полупроводникового прибора - фотоконденсатор, неразрывно соединяющий в себе фотоэлектрический преобразователь и средство хранения энергии. В преобразовании света новый прибор оказался вдвое эффективнее простых кремниевых солнечных батарей.

2. СПЕКТРАЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА — часть спектра белого света, которую излучает, пропускает или поглощает источник излучения, вещество или поверхность (тонкий слой).

3. Фотоэлектрические датчики нашли самое широкое применение в различных областях измерительной техники, а в последние годы и в практике инженерно-геодезических измерений. Такому широкому использованию фотоэлектрические датчики обязаны высокой точности измерения линейных и угловых смещений, возможности полной автоматизации как самого процесса измерения, так и обработки результатов. 
 
В настоящее время создано значительное число датчиков для измерения линейных и угловых смещений, отличающихся по назначению, принципу действия, точности, структуре составляющих датчик звеньев и т. д. Однако независимо от указанных отличий все фотоэлектрические датчики должны отвечать определенным принципам построения. 
 
Фотоэлектрический датчик, как правило, содержит чувствительный элемент, усилительное звено, устройство преобразования информации, регистратор. Чувствительный элемент содержит координатор и приемник лучистой энергии (ПЛЭ), назначение которых состоит в первичном преобразовании информации о линейных или угловых смещениях в электрический сигнал. 
 
Измерение линейных или угловых смещений фотоэлектрическим датчиком в большинстве случаев осуществляется относительно оптической оси светового луча, при помощи которого задают проектное положение геодезической опорной линии. В качестве источников излучения, используемых для формирования опорной линии, могут применяться совместно с формирующей оптикой лазеры, тепловые излучатели, светодиоды. Принципы формирования опорной геодезической линии. Однако известны также датчики, в которых и осветитель и чувствительный элемент конструктивно объединены. 
 
Координаторы фотоэлектрических датчиков осуществляют первичное распознавание пространственного положения излучателя относительно базовой точки (оптической оси) датчика. Они могут быть выполнены в виде двух- или четырехгранной светоделительной призмы, в виде сканирующей щели, мозаичной структуры из фотоприемников и т. д.