22169

ФОТОПРИЕМНИКИ

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

25 Заключение31 Контрольные вопросы. Для ВОП характерны два основных способа получения измерительной информации. Первый способ отражает работу ВОП рефлектометрического типа для которых наиболее характерно отсутствие контакта с объектом измерений или вспомогательным измерительным звеном. Рассмотрим зависимость выходного сигнала ВОП на примере преобразования светового потока отражающегося без потерь и рассеяния от движущейся плоской поверхности.

Русский

2013-08-04

965.5 KB

60 чел.

ФОТОПРИЕМНИКИ

Содержание:

Введение……………………………………………………….3

Фотоприемники излучения

  1.  Параметры и характеристики………………….4
    1.  Основные виды фотоприемников излучения...6
    2.  Фоторезисторы…………………………………6
    3.  Фототранзисторы и фотодиоды……………….9

Волоконно-оптические преобразователи

 2.1.    Принцип действия волоконно-оптических преобразо-

вателей…………………………………………..13

  1.  Классификация………………………………....21
    1.  Применение…………………………………….25

Заключение………………………………………………………31        

Контрольные вопросы…………………………………………..33

Список литературы………………………………………………34

 

Введение

В последние десятилетия в радиоэлектронике, автоматике, телемеханике, вычислительной технике и других областях всё более широкое применение находят полупроводниковые фотоприемники излучения.

  Интерес к фотоприемникам особенно усилился в связи с появлением различного типа источников когерентного и некогерентного излучения. Создание инжекционных полупроводниковых светодиодов и новых типов полупроводниковых фотоприемников на основе одного или нескольких  р-n- переходов в миниатюрном и микроминиатюрном исполнениях способствовало бурному развитию такой новой области электронной техники, как оптоэлектроника.

Фотоприемники заняли такое важное место в технике, что без их использования  было бы немыслимо создание важнейших систем и устройств как гражданской, так и оборонной техники. Кино- и фототехника, волоконно-оптические линии связи и дальнометрия, лазерная локация и лазерная передача информации, системы тепловидения и прицеливания, разведка природных ресурсов и астрофизические исследования, диагностика плазмы и ранних этапов заболеваний человека, анализ загрязнений окружающей среды и многие другие области техники не могут успешно развиваться без применения различных типов современных фоточувствительных устройств.

Глава 1

Фотоприемники излучения

1.1.Параметры и характеристики

Параметры излучения, преобразуя модулированное по интенсивности световое излучение в электрический сигнал, осуществляют детектирование света. Основными параметрами приемников являются чувствительность, темновой ток и порог чувствительности. Параметры определяются при заданных источнике излучения (обычно монохроматическом), электрическом режиме и температуре.

Чувствительность представляет собой отношение изменения электрической величины на выходе приемника, вызванного падающим на него излучением, к количественной характеристике этого излучения, представленной любой энергетической или фотометрической величиной. Для приемников ВОСП обычно указывается монохроматическая чувствительность по току. Электрической величиной на выходе здесь является ток, а количественной характеристикой излучения – мощность монохроматического источника на входе приемника с заданной длиной волны. Чувствительность Sλ имеет размерность А/Вт.

Где, ΔI- приращение фототока; ΔPλ- изменение плотности монохроматического потока.

Темновым током называют постоянный ток, протекающий через приемник в отсутствие действия светового потока в диапазоне спектральной чувствительности. Темновой ток является одним из источников шума.

Порог чувствительности определяется как среднеквадратическое значение первой гармоники действующего на приемник модулированного потока излучения источника фотосигнала, при котором среднеквадратическое значение первой гармоники напряжения (тока) фотосигнала равно среднеквадратическому значению напряжения (тока) шума, приведенному к единичной полосе на частоте модуляции потока излучения. Иными словами порог чувствительности находится, когда отношение сигнал-шум на выходе в полосе 1 Гц равно единице.

      Где, ΔP-порог чувствительности; m-число, в которое сигнал фотоприемника превышает уровень шума; S-чувствительность; u2ш - уровень шума, заданный как дисперсия.

Помимо указанных параметров в паспорте приборов приводятся некоторые параметры электрической эквивалентной схемы (на пример, емкость, последовательное сопротивление), параметры предельно допустимого режима (допустимые значения напряжения, мощности, рабочих температур), а также условия хранения приборов.

Основными характеристиками приборов являются вольтамперная, спектральная, энергетическая, частотная и переходная. Вольт-амперная характеристика строится для заданных входной мощности температуры. Остальные характеристики соответствуют указанному электрическому режиму и постоянной температуре. Спектральная характеристика отражает зависимость монохроматической чувствительности от длины волны регистрируемого потока излучения.

Она может быть абсолютной и относительной. В первом случае по оси ординат откладывается абсолютная величина чувствительности (например, в А/Вт), во втором – относительная величина, отнесенная к максимуму спектральной чувствительности. Энергетической характеристикой называют зависимость фототока от входной мощности оптического излучения.

Частотная характеристика представляет собой зависимость чувствительности от частоты гармонической модуляции потока излучения. Переходная нормированная характеристика определяется под действием импульса оптического излучения в форме единичной ступени. Это – зависимость от времени отношения фототока, описывающего реакцию приемника установившемуся значению фототока. Переходная характеристика может быть прямой и обратной. Первая соответствует ступеньке появления излучения, вторая – прекращению излучения.

       Энергетическая, частотная и переходная характеристики определяются для источника с заданной длиной волны. Частотная и переходная характеристики обычно приводятся для фиксированного сопротивления нагрузки. По этим характеристикам находят параметры, описывающие частотные и импульсные свойства прибора: предельную частоту, время нарастания и спада.

1.2. Основные виды фотоприемников излучения

       Фотоэлектрические приемники излучения используют внешний и внутренний фотоэффекты. Фотоэлементы с внешним фотоэффектом -это вакуумные и газонаполненные фотоэлементы и фотоумножители. Принцип действия этих фотоэлементов заключается в том, что кванты света, достигая поверхности фотокатода, выбивают электроны, которые увлекаются внешним электрическим полем и создают фототок.

Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом – это фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы. В дальнейшем будем рассматривать только фотоэлементы с внутренним фотоэффектом.

1.3. Фоторезисторы

Представляют собой однородную полупроводниковую пластинку с контактами, которая при освещении уменьшает свое сопротивление в результате внутреннего фотоэффекта.

Спектральные характеристики фоторезисторов представлены на рисунке 1 и определяются свойствами используемых полупроводниковых материалов.

Кривая 1 характеризует фоторезисторы из сернистого свинца (тип ФС-А), кривая 2 – из селенида кадмия (тип ФС-Д), кривая 3 – из поликристаллов кадмия (тип ФС-К) и кривая 4 из монокристаллов сернистого

      Рисунок 1                                                    кадмия (тип ФС-КМ).

Вольтамперные характеристики фоторезисторов линейны в пределах допустимых мощностей рассеяния. Постоянные времени  составляют 10-2-10-5 с.

Порог чувствительности фоторезисторов определяются дрейфом темнового сопротивления и шумами различных видов. Дисперсия дробового и теплового шумов определяется соответственно формулами:

  Где к – постоянная Больцмана; Т- абсолютная температура; Δf- полоса частот; e- заряд электрона; i0 – среднее значение тока через фоторезистор. Избыточный шум (шум вида 1/f) обусловлен неоднородностью структуры материала чувствительного слоя приемника. Дисперсию избыточного шума определяют по формуле (5):

Где А=10-11-10-12- постоянный коэффициент. Фотонный шум определяется флуктуациями числа фотонов, попадающих на фотоприемник.

Характеристики фоторезисторов (темновое сопротивление, чувствительность, инерционность) зависят от температуры. Темновое сопротивление и чувствительность с ростом температуры уменьшаются, а постоянная времени τ, определяющая быстродействие фотоэлемента, увеличивается. Для большинства фоторезисторов допустимый температурный диапазон составляет от –60 до +600С.

Следует отметить, что фоторезисторы могут иметь самые разнообразные конструктивные решения: герметизированные, с жесткими и мягкими выводами, кольцевой формы и т.д. Конструкция фоторезистора ФСК-1 показана на рисунке 2,а. Представляют интерес дифференциальные фоторезисторы, которые имеют три вывода и могут прямо включаться в дифференциальные измерительные цепи. Дифференциальный фоторезистор типа ФСК-7А изображен на рисунке 2,б. Позиционно-чувствительные фоторезисторы выполняют роль бесконтактных реохордов и делителей тока, управляемых перемещением светового пятна. Конструкция такого фоторезистора показана на рисунке 2,в. На диэлектрической подложке нанесены фоторезистивная полоса 1, высокоомный резистивный слой 2 и низкоомный резистивный слой 3, представляющий собой эквипотенциальный коллектор. Фоторезистор освещается световым зондом 4. Эквивалентная схема фоторезистора показана на рисунке 2,г, где R- сопротивления отдельных участков резистивного слоя 2; gт и gс – соответственно темновая и световая проводимости участков фоторезистора; С - емкость между резистивным слоем 2 и коллектором 3. Схема деления напряжения в предположении, что gT, gс и С стремятся к нулю, показана на рисунке 2,д. Лучшие фотопотенциометры имеют разрешающую способность 1- 10 мкм.

Фоторезисторы широко применяются в преобразователях перемещений. В этом случае перемещение светового зонда возможно как в направлении, перпендикулярном  электродам (рисунок 2,е), так и в направлении, параллельном электродам (рисунок 2,ж). В первом случае проводимость резистора определяется формулой (6):

Где Rтемн - темновое сопротивление; n- кратность изменения сопротивления при заданной освещенности; η=hосв/h- отношение ширины освещенной части к полной ширине элемента.

Рисунок 2

Полагая, что в начальном положении η=0,5 и

можно найти относительное изменение

проводимости  в зависимости от относительного перемещения  как  (10)

 (11)

При кратностях изменения сопротивления n>100 значение

При смещении светового пятна параллельно электродам начальное сопротивление фоторезистора R0 при η=lосв/l=0,5 составляет R0=0,5Rтемн*(n+1)/n (12). Относительное изменение сопротивления определяется как  ΔR/R0=ε*(1-n)/(1+n) (13)  и равно ΔR/R0=ε при n>100 и ΔR/R0=0.99*ε (14)  при  n=1,2.

1.4. Фототранзисторы. Фотодиоды.

Фотодиоды (ФД) и фототранзисторы (ФТ) относятся к группе полупроводниковых фотоприемников. В фототранзисторе совмещены фотодиод и усилитель фототока.  ФД могут работать в двух режимах – фотогенераторном (вентильном) и фотодиодном. В фотогенераторном режиме источник внешнего напряжения отсутствует. В фотодиодном режиме к ФД приложено запирающее напряжение. При отсутствии облучения под действием этого напряжения проходит лишь небольшой темновой ток, а при освещении p-n- пере

хода ток увеличивается в зависимости от интенсивности облучения.

Рисунок 3

На рисунке 3,а показаны световые характеристики ФД, на рисунке 3,б – вольтамперные характеристики ФД, там же проведены прямые, соответствующие нагрузочным характеристикам ФД в генераторном режиме при большом (прямая 1) и малом (прямая 2) сопротивлениям нагрузки и в фотодиодном режиме (прямая 3). Из приведенных характеристик очевидно, что фотодиодный режим характеризуется наличием темнового тока, возрастающего при увеличении приложенного напряжения. Напряжение холостого хода Uxx в фотогенераторном режиме  (рис. 3,б) не превышает 0,2 – 0,5 В (потенциальный барьер) и увеличивается при увеличении освещенности лишь до значений            Характеристика Iк.з.= f (E) обладает большой линейностью, ток пропорционален освещенности до значения:

. Линейность характеристик в фотодиодном режиме наблюдается до освещенностей:                            -для германиевых ФД и Е=105 –для кремниевых ФД. Характеристики относительной спектральной чувствительности  кремниевых  (кривая 1) и германиевых (кривая 2) ФД приведены на рисунке 3,в.

       Интегральная чувствительность серийно выпускаемых ФД и ФТ определяется в фотодиодном режиме при освещенности от стандартного источника с цветовой температурой Tцв.= 2360 К как  

Для кремниевых ФД порог чувствительности может достигать 10-13 –10-14 Вт*Гц-0.5, для германиевых 10-12 Вт*Гц-0.5. Для реализации низких порогов входные сопротивления усилителей, используемых с ФД, должны быть в диапазоне 5-50 МОм.

      Инерционность ФД определяется временем пролета носителей (10-8-10-9 с) и постоянной времени RC-цепи, образованной емкостью p-n-перехода и последовательно включенной с ней суммой сопротивлений собственно ФД и нагрузки Rн. Емкость p-n-перехода для фотодиодов составляет в зависимости от площади перехода 10 – 100 пФ и уменьшается с увеличением обратного напряжения, приложенного к переходу. При напряжениях примерно равных 10 В и сопротивлениях нагрузки не превышающих 10 – 100 кОм, частотный диапазон может достигать 0,1 – 1 МГц. Специальные ФД имеют частотный диапазон до 108 – 109 Гц. Характеристики ФД зависят от температуры. Для кремниевых ФД в генераторном режиме напряжение Uхх падает с уменьшением температуры примерно на 2,5 мВ/К, ток короткого замыкания увеличивается, относительное изменение тока составляет около 3*10-3 К-1. При повышении температуры максимум спектральной чувствительности смещается в сторону длинноволнового излучения, монохроматическая чувствительность увеличивается на 0,002 К-1. Очень сильно зависит от температуры  темновой ток, увеличиваясь при повышении температуры от 20 до 600 С в сотни раз. На рисунке 4 приведены зависимости темновых токов от температуры для кремниевых (рис. 4,а) и германиевых (рис. 4,б) ФД.

Рисунок 4

Характеристики некоторых ФД и ФТ приведены в таблице 5

Тип фотоприемника

Площадь чувствительной поверхности, мм2

Рабочее напряжение, В

Интегральная чувствительность, мА/лм

Темновой ток, мкА

Постоянная времени, с

ФД-1

5

15

20

30

5*10-5

ФД-2

1

30

20

25

5*10-5

ФД-3

2

10

15

10

5*10-5

ФД-5Г

5

15

25

1

(3-5)*10-6

ФД-6К

2

20

7

5

(3-5)*10-6

ФД-7К

78

27

2,5

10

10-7

ФД-9К

19,6

10

3

1

10-7

1690

2

20

4

1

     -

1691

2

0

0,7

1

3*10-6

ФТ-1К

2

5

70

1

     -

ФТК-3

3

5

1000

3

10-4

Таблица 5

В фотодиодном режиме ФД может рассматриваться как резистор и включается в схемы делителей (рисунок 6,а) или мостовые измерительные цепи (рисунок 6,б), позволяющие в известной степени уменьшить влияние дрейфа темнового тока. ФД по напряжению хорошо согласуются с полупроводниковыми электронными элементами, поэтому используются обычно в схемах совместно с операционными усилителями (рисунок 6,в).

Рисунок 6

Волоконно-оптические измерительные

преобразователи

2.1. ПРИНЦИП  ДЕЙСТВИЯ  ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Одними из универсальных элементов, способных осуществлять преобразование различных физических величин, являются оптоэлектронные преобразователи, в которых измеряемая величина воздействует на оптический канал, изменяя параметр излучаемого потока при его распространении от источника к приемнику (рис. 9) . Наиболее просты по конструкции оптоэлектронные преобразователи, где под воздействием физической величины изменяется интенсивность потока некогерентного излучения.

Оптический канал (рис. 10) может быть выполнен в виде двух световодов (единичных оптических волокон или жгутов волокон) и промежутка между ними. Поток излучения от источника вводится в передающий световод 1. На выходе передающего световода в зоне измерений формируется поток излучения, заключенный в конусе апертуры световода. Часть потока излучения падает на вход световода 2, выводится из зоны измерений к фотоприемнику и преобразуется в пропорциональный электрический сигнал. Физическую основу работы таких оптоэлектронных преобразователей составляет изменение (под действием измеряемого параметра) интенсивности излучения, проходящего с выхода передающего световода на вход приемного световода в соответствии с диаграммой направленности, светопропусканием световодов и способами модуляции.

Волоконно-оптические преобразователи наряду с достоинствами оптронов с открытым каналом имеют такие преимущества, как слабая зависимость результатов измерений от температуры, электромагнитных полей большой интенсивности и вибраций в зоне измерений, стойкость к агрессивным средам и химическая инертность, высокая локальность измерений, возможность получения заданных конструктивных и метрологических характеристик за счет конструкции

 Iи.и                                                                                                        Iф.п.

.                  

                                                     х1…хn

Рисунок 9. Схема канала преобразования информации оптических преобразователей

волоконно-оптических каналов при использовании серийно выпускаемой элементной базы (источников излучения, фотоприемников, оптических волокон).

Для ВОП характерны два основных способа получения измерительной информации. Первый способ отражает работу ВОП рефлектоме-трического типа, для которых наиболее характерно отсутствие контакта с объектом измерений или вспомогательным измерительным звеном. Здесь, поток излучения с выхода передающего световода направляется на отражающую поверхность объекта и часть отраженного потока, зависящая от положения поверхности объекта, ее формы и отражающих свойств, воспринимается входным торцом приемного световода.

Рассмотрим зависимость выходного сигнала ВОП на примере преобразования светового потока, отражающегося (без потерь и рассеяния) от движущейся плоской поверхности. Поверхность перемещается относительно торцов приемного и передающего световодов, лежащих в одной плоскости (рис. 11, а). Если торец световода контактирует с отражающей поверхностью, то поток к фотоприемнику практически не проходит. При увеличении расстояния поток излучения, заключенный в конусе апертуры световода, падает на все большую площадь на объекте измерений и по сути эта площадь становится "источником" вторичного потока, который возвращается к приемному световоду.

В соответствии с диаграммой излучения световода лучи, выходящие под наибольшим углом к торцу передающего световода, переносят меньшую часть излучаемого потока и при небольших расстояниях до поверхности воспринимаемая часть отраженного потока растет медленно. С увеличением площади отраженного "пятна" и входом в торец лучей с большей энергией наблюдается резкий рост принимаемого потока. При определенном соотношении размеров торцов крутизна изменения потока растет до тех пор, пока границы отраженного "пятна" не выходят за пределы торца приемного световода. Когда рост принимаемого потока из-за увеличения интенсивности элементарных потоков, попадающих в приемный световод, частично компенсируется потерями зависимость между расстоянием до поверхности и потоком, попадающим в приемный световод, остается существенно линейной. При увеличении расстояния потери преобладают, рост зависимости замедляется и вблизи некоторого расстояния поток, проходящий к фотоприемнику, остается практически постоянным.

Рисунок 10. Схема ВОП с внешней модуляцией

В дальнейшем преобладают потери за счет выхода отраженного потока за пределы торца приемного световода и поток, приходящий к фотоприемнику, убывает. Таким образом, функция преобразования такого ВОП имеет квазилинейный участок наибольшей крутизны с центром zq, участок максимума вблизи zm и падающий участок при z > zm. При начальной установке световода в z0 изменение потока на фотоприемнике практически линейно связано с изменением расстояния до отражающей поверхности. Вблизи максимума выходной сигнал ВОП практически не зависит от расстояния до отражающей поверхности и будет определяться мощностью источника излучения, потерями в световодах и отражающими свойствами поверхности.

Второй способ характерен для ВОП проходящего типа, где поток излучения, выходящий с торца передающего световода, направляется на торец приемного световода. В ряде случаев конструкция ВОП проходящего типа содержит дополнительное механическое звено, обеспечивающее преобразование физической величины в перемещение одного из каналов.

Формирование отклика ВОП проходящего типа можно показать на примере с ортогональным перемещением торцов световодов. Если торцы параллельны и

оси совпадают, то поток, передаваемый к фотоприемнику, максимален. При ортогональном перемещении торцов начинается выход лучей, переносящих большую часть общего потока излучения за пределы торца приемного световода. Однако эти потери частично компенсируются потоком, создаваемым лучами, переносящими меньшие элементарные потоки. Дальнейшее смещение приводит к тому, что уменьшается принимаемый поток. При еще больших смещениях это изменение становится более плавным. Из рисунка видно, что преобразование перемещений целесообразно вблизи точек перегиба (z0,y0) на участках наибольшей крутизны и линейности.

                             а)                                                                  б)

Рисунок 11. Формирование функции преобразования рефлектометрических ВОП аксиальных перемещений (а) и ВОП проходящего типа при измерении ортогональных перемещений (б)

Математическую основу ВОП составляет модель функции преобразования, которая по аналогии с моделью оптрона может быть представлена зависимостью тока фотоприемника от множества параметров внешних факторов Iфп1…хn)= Рис* η(λ)* A(x1 . . . хn)* Кфп (16)  где, Рис- поток, испускаемый источником; η(λ) - коэффициент спектрального согласования элементов ВОП; A(x1 . . . хn) - функция передачи оптического тракта; Кфпинтегральная чувствительность фотоприемника.

    Очевидно, что максимальное теоретическое значение тока фотоприемника с бесконечно-линейной световой характеристикой

Iфпmaxис* η(λ)* Кфп = const. (17)

В этом случае функция преобразования может оцениваться по поведению функции передачи оптического тракта A (x1 . . .хn), которую при   

Iфпmax =1 можно назвать условной функций преобразования ВОП.

 В свою очередь    a(x1 ... хn)  =Кисспсо (18)

где Кис — коэффициент передачи тракта "источник излучения — передающий световод"; Ксп - коэффициент передачи тракта "приемный световод- приемник излучения"; kco(x1 . . . хn) - функция коэффициента передачи тракта "передающий торец световода - объект контроля –приемный торец световода”.

Как следует из (18), функция преобразования ВОП однозначно связана с коэффициентом kcо(x1 . . . хп), определяемым отношением потока излучения, попадающего в приемный световод, к потоку излучения, выходящему из передающего световода.

Из (16) —(18) видно, что коэффициент преобразования ВОП

пропорционален мощности источника излучения и, следовательно, возможна коррекция величины К(xi) , в частности, для компенсации влияния неинформативных факторов.

К(xi)=ΔIфп(x1xn)/ Δ xi (19)

Общий вид функции a(x1 ... хn) может быть получен на основе геометрической оптики.

Пусть световоды приемного и передающего каналов представляют собой цилиндрические светопроводящие волокна. От источника излучения на входной торец передающего волокна под углом   ω  падает элементарный поток.

dP1=J0*f(φ) dω (20)

где J0— сила излучения источника в направлении φ=0; f(φ) диаграмма направленности; dωэлементарный телесный угол.

Для волокон цилиндрической формы поток будет равномерно распределен по его выходному торцу. Элементарная площадка торца волокна будет в направлении φ излучать поток

dP2=J0(r dr dθ/π*R2)*f(φ)*τ(φ) dω                      (21)

где r , θтекущие полярные координаты центра площадки; Rрадиус волокна; τ(φ)  — светопропускание волокна.

Если этот поток попадает под углом ω   на входной торец приемного световода, то функция dA  (x1 ... хп)  определится из выражения:

dA = f(φ)*τ(φ) * τ(φ˚) * dω(x1…xn) (22)

Отклик фотоприемника

dA  (x1 ... хп)=

(23)

Область интегрирования является сложной функцией пространственных координат границ передающего и приемного световодов, а также функцией параметров, определяющих геометрию и пространственное расположение объекта измерений для ВОП рефлектометрического типа. Функция   ω(x1xn,φ,β,R,θ)  определяет связь между вводимым в зону измерений и выводимым из нее потоками через пространственные координаты, одна из которых связана с преобразуемым параметром..

В ряде случаев (x1 . . .хn) являются промежуточными параметрами, однозначно связанными с измеряемой величиной. Например, если поток излучения отражается от диафрагмы, то под действием измеряемого давления (первичный параметр) происходит одновременное линейное и угловое перемещение элемента поверхности диафрагмы (промежуточные параметры), преобразуемое в изменение потока на фотоприемнике.

В общем случае угол φ˚, входящий параметром в светопропускание приемного световода, характеризует изменение направления потока dP1 и является функцией положения и формы отражающей поверхности и угла между нормалями к торцам световодов. Максимальное значение функции φ˚( x1xn,φ,β,R,θ) не должно превышать номинальной: апертурного угла φm приемного световода. Значение φ˚равно φm лишь тогда, когда нормали к торцам световодов и отражающей поверхности для любых φ остаются параллельными в процессе измерений. Назовем совокупность функций ω, φ˚  геометрическими функциями связи.

Если передающий световод представляет собой жгут оптических волокон, то условная функция преобразования может быть получена суммированием вкладов отдельных волокон:

 (24)

Таким образом, для математического моделирования ВОП необходимо определить зависимости ω (х1 ... хп), φ˚ (x1 ... хn), соответствующие конкретным способам получения измерительной информации и конструкции оптических каналов, и вычислить интеграл или сумму в соответствии с (23) и (24).

Опыт показывает, что для передающих каналов ВОП рефлектометрического типа, выполненных в виде жгутов, торцы волокон можно считать точечными источниками излучения, так как величина начального рабочего расстояния z0 удовлетворяет условию z0 < d (d — диаметр волокна).

Тогда (1.7) значительно упрощается:

Функции преобразования, полученные расчетным путем  или экспериментально, позволяют  определить следующие основные характеристики ВОП : необходимое расположение  приемного и  передающего каналов, коэффициент преобразования ВОП, положение особых точек и соответствующее этим точкам значение выходного сигнала (например, положение максимума функции преобразования),   верхнюю границу диапазона преобразуемых значений физической величины, порог чувствительности ВОП.

Для динамических измерений существенным параметром является также постоянная времени ВОП   τВОП определяемая в большинстве случаев постоянной времени фотоприемника τфп и схемой его включения. Однако при использовании волокон значительной длины и малого диаметра необходимо принимать во внимание дисперсионную характеристику, определяющую постоянную времени волокна. Физический смысл дисперсионной характеристики, если исходить из геометрических соображений, состоит в том, что элементарные потоки, входящие в волокно под большими углами, проходят в волокне гораздо больший путь, чем лучи, входящие под малыми углами. Следовательно, при введении в волокно прямоугольного импульса излучения, импульс на выходе появится со временем нарастания.

где l- длина волокна; пс - показатель преломления сердцевины волокна; φm номинальная угловая апертура; с — скорость света.

2.2. Классификация волоконно-оптических преобразователей

Во всех рассматриваемых преобразователях получение измерительной информации связано с изменением амплитуды потока, проходящего с торца передающего световода под влиянием измеряемого параметра.

В принципе такое изменение может быть получено в результате воздействия большинства известных физических величин либо непосредственно на проходящий в промежутке поток, либо через вспомогательные измерительные звенья.

Как было указано раньше, преобразователи, в которых для получения измерительной информации используется отражение от поверхности объекта измерений или измерительного звена преобразователя, называют рефлектометрическими ВОП.

Если при распространении между торцами световодов поток не меняет своего общего направления, то такие преобразователи называют ВОП проходящего типа.

Для рефлектометрических ВОП используются следующие основные способы получения измерительной информации (рис. 12): модуляция потока при аксиальном движении отражающей поверхности [бесконтактные преобразователи перемещений, толщины, расстояний (рис. 12, а)];  модуляция потока при угловых перемещениях плоской отражающей поверхности; модуляция потока за счет изменения формы отражающей поверхности (преобразователи давлений, усилий, ускорений, устройства контроля геометрии и линейных размеров); модуляция потока за счет ортогонального перемещения границ поверхностей с различными отражающими свойствами (преобразователи ударных воздействий, акселерометры, цифровые преобразователи перемещений, числа оборотов, наличия и положения детали в схвате робота).

Рисунок 12. Способы получения измерительной информации с помощью ВОП.

Для ВОП проходящего типа наиболее характерными являются следующие способы модуляции (рис. 12, а—д): ортогональное перемещение торцов (гидрофоны, преобразователи силы, ускорений, скоростей потока жидкостей и газов); аксиальное перемещение торцов (преобразователи перемещений); перекрытие проходящего потока (преобразователи линейных размеров, давления, разрушения режущего инструмента, температуры); поглощение или рассеяние проходящего потока (преобразователи уровня жидкости, запыленности, температуры).

Классификационная схема ВОП представлена на рис. 13.

В большинстве случаев в ВОП проходящего типа каналы выполняются из отдельных оптических волокон. Однако для преобразования больших перемещений, уровня и температуры каналы представляют собой линейки оптических волокон, ось которых совпадает с направлением перемещения каналов или перекрывающего поток звена. В некоторых ВОП проходящего типа для повышения чувствительности на передающие и приемные торцы наносят растровые решетки с шагом 3—10 мкм.

Классификация показывает, что одни и те же физические величины могут быть преобразованы с помощью различных типов ВОП. Например, перемещение может быть измерено ВОП, построенным по схемам, показанным на рис. 12, а—г, е. Выбор схемы преобразователя в данном случае определяется требованиями к амплитудному и частотному диапазонам, к конструкции и условиям измерения, к точности, а также к значениям коэффициента преобразования. Наибольший коэффициент преобразования при минимальной

Преобразователь

Входное

воздействие 

  1.  

Измеряемый

параметр

Рисунок 13. Классификационная схема ВОП

протяженности квазилинейного участка имеют ВОП проходящего типа. Наибольшая протяженность линейного участка характерна при меньшем коэффициенте преобразования для режима перекрытия у рефлектометрических ВОП, среднее положение занимают ВОП аксиальных перемещений

2.3. ПРИМЕНЕНИЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

ВОП очень широко используются в производстве, в частности при различных контролях. Особенностью технологического контроля в автоматизированных производствах  является то, что методы статистического контроля, используемого в крупносерийном производстве, становятся малопригодными. Хотя с точки зрения качества производимая в автоматизированных ячейках продукция отличается постоянством характеристик, в условиях безлюдной технологии требуется непрерывный контроль состояния оборудования, технологической оснастки и инструмента. При мелкосерийном производстве контроль качества изделий должен осуществляться оперативно в процессе изготовления, т.е. требуется активный контроль качества.

Другой особенностью контроля в производстве можно считать повышенные требования к информационной надежности средств контроля, которые должны сохранять метрологические характеристики в течение всего периода между профилактическими остановками оборудования.

И, наконец, немаловажным фактором является стоимость контрольно-измерительных систем. При большом числе первичных преобразователей различных физических величин с сопутствующими средствами первичной обработки информации, аппаратным и программным обеспечением стоимость контроля может оказывать существенное влияние на общую стоимость изделий, что снижает экономическую эффективность производства.

Волоконно-оптические преобразователи, имеющие простую конструкцию и низкую стоимость, а в сочетании с высокой помехозащищенностью и надежностью, возможностью многофункционального применения в значительной степени удовлетворяют требованиям, предъявляемым к устройствам контроля.

Хотя большинство практических решений, связанных с использованием ВОП, находится на стадии исследований, ряд приводимых ниже примеров реализации устройств контроля показывает перспективность их широкого внедрения в производства. Наибольший объем исследований, связанных с применением ВОП в автоматизированных системах,    направлен на создание устройств размерного контроля при механообработке, определения степени износа инструмента, а также сенсорных устройств, промышленных роботов.

Контроль состояния обрабатывающего инструмента. Одной из причин возникновения брака при механообработке является размерный износ, разрушение или биение обрабатывающего инструмента. При появлении размерного износа системы контроля должны давать либо информацию об адаптации по степени износа, либо команду о замене инструмента.

Устройство включено в систему автоматической компенсации износа инструмента. Максимальная погрешность в измерительном диапазоне преобразователя (0,1—1,6мм) составляет 3,3%.

Эффективно использование ВОП для контроля состояния поверхности и биений, шлифованных и отрезных кругов, применяемых в станках с ЧПУ. Износ шлифовального круга проявляется в появлении слоя металла на поверхности зерна абразива и внедрении металлической стружки в поры круга в зоне контакта. В этом случае, как показывают исследования, изношенные участки на площади не превышают 1мм2, а в поперечном сечении 0,1 мм.

Для оценки износа и загрязнения шлифовального круга предложено использовать ВОП в режиме измерения ортогональных перемещений. Поток от источника излучения через передающий канал направляется на поверхность шлифовального круга, а отраженный поток через приемный канал поступает на фотоприемник. Вследствие того что коэффициент отражения от поверхности пригодных для исследования участков круга ниже, чем при отражении от участков с внедрившимися частицами металла, на выходе ВОП при вращении появляется сигнал (рис.14), где D-диаметр облучаемой площадки на поверхности круга. Сигнал преобразуется в соответствующую последовательность прямоугольных импульсов, среднее значение которой характеризует износ круга. Волоконно-оптические преобразователи проходящего типа могут быть использованы для контроля биений алмазных отрезных кругов, так как контактные методы неприемлемы при толщинах кругов менее 1 мм

Рисунок 15. Функция преобразования ВОП при контроле биений алмазного отрезного круга

 

Рис. 3.17. Схема контроля момента облома сверла: 1 - передающий канал ВОП; 2 - сверло; 3 - приемный канал

из-за их малой жесткости. Кромка отрезного круга расположена между торцами приемного и передающего каналов. Радиальные биения l кромки, которые получены при использовании жгутов волокон диаметрами 1, 2 и 3 мм, приводят к модуляции потока излучения, падающего на фотоприемник, в соответствии с функцией преобразования, показанной на рис.15. Наибольшая чувствительность достигается при использовании световода 1 мм, на участке линейного преобразования вдвое превышается диапазон измерений, равный ±0,16 мм.

Аналогичное устройство с каналами на единичных волокнах было использовано для регистрации момента облома сверла 2 (рис.16). В момент облома поток излучения начинает проходить к фотоприемнику 3, вызывая скачкообразное изменение тока.

Наибольшей трудностью при применении ВОП для контроля состояния обрабатывающего инструмента является наличие паров смазочно-охлаждающей жидкости, грязи и металлической стружки. По мнению большинства авторов, для уменьшения этих факторов нужна подача сжатого воздуха в промежуток между приемным и передающим каналами и объектом контроля.

Контроль чистоты обработки поверхности. Исследование возможности применения ВОП для автоматизированного контроля качества обработки поверхности обусловлено необходимостью обеспечения бесконтактных измерений. Для большинства видов обработки выходной сигнал ВОП и средняя высота микронеровностей Ra связаны близкой к экспоненциальной зависимостью. Наибольшая чувствительность к изменению высоты микронеровностей наблюдается при расстоянии между общим торцом световода и отражающей поверхностью, соответствующей максимуму функции преобразования ВОП аксиальных перемещений, причем экспоненциальный вид зависимости тока фотоприемника от Ra сохраняется для различных обрабатываемых металлов.

Исследование возможности применения ВОП для автоматического контроля чистоты обработки было проведено с образцами из стали. Зависимость Uвых = f(Ra) для автоматической обработки сигнала и последующей передачи его в систему адаптивного управления была аппроксимирована функцией вида

Uвых = Ra0,724=5,1 (27)

Однако эта зависимость не только включает в себя среднюю высоту микронеровностей Ra, но и учитывает отражающие свойства материала контролируемой детали.

Для компенсации влияния отражающих свойств поверхности при измерении средней высоты микронеровностей напряжение с выхода ВОП измеряется при двух положениях общего торца световода: в том случае, когда они параллельны, и при повороте на некоторый угол, определяемый номинальной угловой апертурой световодов.  Рекомендован угол поворота, равный 15°. Отношение Uвых/Ua не зависит от отражающих свойств материала и определяется только значением Ra. При упрощении процесса измерений могут быть использованы два ВОП, расположенные под разными углами.

Контроль положения деталей и усилий захвата в схвате робота. Контроль положения и усилий захвата в схвате робота необходим для определения наличия контакта между "рукой" робота и манипулируемым предметом или силы, с которой пальцы робота удерживают предмет. При установлении контакта схвата с деталью и манипулировании последней требуется регулировка усилия захвата для того, чтобы избежать выскальзывания объекта манипулирования и не допускать его деформации и разрушения.

Волоконно-оптический преобразователь контроля усилия в схвате робота содержит решетку из множества эластичных мембран, верхняя часть которых может контактировать с объектом, а нижняя часть является поверхностью, отражающей поток, подводимый световодом. При давлении объекта на эластичную мембрану ячейки она деформируется, вызывая перераспределение потока в промежутке между общим торцом и мембраной пропорционально приложенному усилию. Аналогичный принцип действия использован в рефлектометрическом ВОП, где приемный световод воспринимает поток, отраженный от пластины, являющейся рабочей поверхностью схвата. При отсутствии контакта с объектом предусмотрено возвращение пластины в исходное состояние возвратной пружиной. Сила, необходимая для обнаружения объекта, составляет несколько граммов.

Важной задачей являются определение проскальзывания объекта 2 и соответствующая коррекция усилия захвата 1, 4.

Рисунок 17. Схема устройства для определения проскальзывания в схвате робота

Датчик проскальзывания обнаруживает перемещение объекта в   схвате робота с помощью вращательного движения ролика, контактирующего с объектом. Ролик соединен с пальцем через пластинчатую пружину. При скользящем перемещении захваченного объекта ролик поворачивается. Угол поворота определяется ВОП ортогональных перемещений, общий торец которого введен внутрь ролика. Оптические неоднородности, нанесенные на внутреннюю поверхность ролика, позволяют получить один электрический импульс при скольжении объекта на 1  мм. Схема счета импульсов обеспечивает измерение максимальной длины проскальзывания, которое можно прекратить, увеличив усилие захвата.

Применение ВОП в микроэлектроники. При производстве изделий микроэлектроники наряду с бесконтактным измерением параметров вибрации и удара ВОП применяют в операциях сборки и контроля геометрических параметров, в извлечении заготовок, определении положения носителей и керамических оснований для сборки микросхем.

Весьма характерен пример использования волоконно-оптического зонда при определении внутренних напряжений в кремниевой подложке, являющейся основой для производства интегральных схем. Так как внутренние напряжения приводят к максимальному изменению толщины кремниевой пластины, то определение участков с увеличенными внутренними напряжениями может привести к нарушению внутренних связей в топологии микросхемы.

Для контроля внутренних напряжений предложено использовать реф-лектометрический ВОП, установленный в точке перегиба функции преобразования аксиальных перемещений. Кремниевая полированная пластина прижимается к плоскости предметного стола избыточным атмосферным давлением. Горизонтальное перемещение поверхности пластины под неподвижным торцом ВОП дает распределение толщины с точностью 1 мкм, что позволяет выявить участки с увеличенным внутренним напряжением. Ортогональное перемещение стола осуществляется с помощью электродвигателей.

  Одним из наиболее полезных измеряемых параметров является перемещение, которое относительно просто вызывается различными физическими эффектами.

   ВОП с управляемыми световодами с переменной площадью оптического контакта позволяют обеспечить измерение уровня жидких сред как в аналоговом, так и в  дискретном режимах. Кроме того, такая схема позволяет создавать на ее основе не только уровнемеры, но и измерители объема жидкости с линейным выходом для емкостей с переменным сечением по вертикали.

   Также ВОП могут использоваться для управления функционированием ряда систем управления и контроля при помощи магнитного поля, в качестве датчиков температуры, давления, угловых и линейных перемещений и т. д.

Заключение

Использование традиционных электрических датчиков в составе ИИС с волоконно-оптическими каналами требует подвода к ним энергии питания по дополнительной электрической проводной линии. А также наличия преобразователя неоптического информационного сигнала такого датчика в оптический и устройств согласования с волоконно-оптическим каналом.

Все это с учетом погрешностей самих электрических датчиков снижает уровень помехозащищенности и точность ИИС, повышает их размеры и массу. Кроме того, в очень многих промышленных применениях использование электрических датчиков ограничено допустимыми условиями эксплуатации. Поэтому для ИИС во многих случаях предпочтительно использовать пассивные датчики, использующие в своей работе сигналы той же природы, что и волоконные световоды.

Так, имеется большая потребность в пассивных датчиках давления, уровня жидкости, перемещения, температуры и т. д., пригодных для работы в условиях взрывоопасности, высокой радиации, высоких и низких температур, агрессивных сред и т. п. (таблица 7).

Таблица 7

Условия эксплуатации

Области использования

Регистрируемый параметр

Взрывоопасность

Газовая, нефтяная, химическая промышленность, заправочные баки

Давление, уровень жидкости, поток, температура

Высокая радиация

Атомная энергетика, медицина

Давление, температура

Сильные электромагнитные помехи

Электростанции, энергоустановки

Напряжение, ток, вибрация, вращение

Высокие температуры

Энергоустановки, двигатели, турбины

Перемещение, давление, вибрация, вращение

Необнаружимость

Специальная техника

Перемещение, давление, температура, вибрация

Решение проблемы датчиков для таких условий эксплуатации и применений может быть достигнуто на основе использования оптических и волоконно-оптических элементов, являющихся  также составными элементами фотоприемных устройств.

Без их использования  было бы немыслимо создание важнейших систем и устройств как гражданской, так и оборонной техники. Кино- и фототехника, волоконно-оптические линии связи и дальнометрия, лазерная локация и лазерная передача информации, системы тепловидения и прицеливания, разведка природных ресурсов и астрофизические исследования, диагностика плазмы и ранних этапов заболеваний человека, анализ загрязнений окружающей среды и многие другие области техники не могут успешно развиваться без применения различных типов современных фоточувствительных устройств.

Контрольные вопросы

  1.  Перечислите основные параметры фотоприемников излучения (ФПИ). Дайте определение каждого из них.
  2.  Назовите основные виды ФПИ, их характеристики, область применения.
  3.  Способы получения информации, характерные для волоконно-оптических преобразователей (ВОП).
  4.  Преимущества ВОП по сравнению с другими оптоэлектронными устройствами.
  5.  Области применения ВОП.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

67723. Решение дифференциального уравнения двумя численными методами: методом Эйлера и методом Рунге-Кутта 4 порядка точности 257.5 KB
  Целью данной курсовой работы является решение дифференциального уравнения двумя численными методами: методом Эйлера и методом Рунге-Кутта 4 порядка точности. Для достижения цели я поставил перед собой следующие задачи: Написать программу для решения данного дифференциального уравнения двумя численными...
67724. Проектирование промышленного предприятия 633.5 KB
  Безнапорные бетонные и ж/б трубы и кольца широко применяются для трубопроводов ливневой и хоз-бытовой и промышленной канализации, дренажных, ирригационных и др. сетей водопроводов; изготовляют их способом радиального прессования. Технологический процесс состоит из следующих операций...
67725. Проектирование арматурного цеха в городе Тольятти 247 KB
  Арматурный цех предназначен для изготовления арматурных изделий. Арматурный цех состоит из отделения заготовки, сварки, укрупнительной сборки и изготовления закладных деталей. Эти отделения укомплектованы необходимым оборудованием. В состав оборудования входят...
67727. Промышленное здание 121.5 KB
  Простота организации технологического процесса и возможность передачи тяжёлых (в том числе динамических) нагрузок от оборудования непосредственно на грунт; Простота конструктивного решения, легко подающегося унификации и типизации, меньшая стоимость по сравнению с многоэтажными зданиями...
67728. Проектирование промышленных зданий 517.5 KB
  Основные и фахверковые колонны. Завод выпускает металлические конструкции колонны металлические несущие конструкции покрытия и узлы трубопроводов по целевому назначению пространственные стальные конструкции. В местах где колонны фахверка находятся на одной оси с основными...
67729. Проектирование промышленных зданий (гараж-стоянка для санитарных машин) 169 KB
  Основные и фахверковые колонны. Класс конструктивной Класс пожарной опасности строительных конструкций не ниже пожарной опасности здания Несущие стержневые элементы колонны ригели фермы и др. Фундаменты и фундаментные балки Типовые столбчатые монолитные железобетонные фундаменты под колонны состоят...
67731. Экономическое содержание и основы организаций оборотного капитала 119 KB
  Оборотные средства обеспечивают непрерывность производства и реализации продукции предприятия. Оборотные производственные фонды вступают в производство в своей натуральной форме и в процессе изготовления продукции целиком потребляются, перенося свою стоимость на создаваемый продукт.