Оптоэлектронные датчики

Оптоэлектронные датчики

 

Оптоэлектронные датчики распознают наличие объектов, а также проверяют их форму, цвет, толщину и расстояние. Отсутствие силового воздействия на перемещающийся объект, возможность дистанционного измерения параметра делает оптоэлектронные датчики незаменимыми в тех случаях, когда наличие даже незначительного силового воздействия может привести к недопустимому изменению состояния контролируемого объекта. Кроме того, отсутствие механической связи с объектом контроля и, соответственно, механической преобразующей системы внутри датчика, делает их надежными в эксплуатации, простыми в изготовлении. Вот о том, какими бывают оптоэлектронные датчики, мы и поговорим в этой статье.

 

 

Внутренний фотоэлектрический эффект

 

Внутренний фотоэлектрический эффект соз­дает основу для оптоэлектронных чувстви­тельных элементов. Свет можно рассматри­вать как поток отдельных квантов (фотонов). Энергия EPh фотона зависит только от его частоты f или длины волны λ:

EPh = h·f= h·(c/λ)    (уравнение 1)

где h — квант действия Планка.

Когда фотоны сталкиваются с атомами, каж­дый из них, при наличии достаточной энер­гии, может освободить электрон из внешней оболочки. Необходимая для этого энергия соответствует разности между энергией Ev валентной зоны атома и энергией EL зоны проводимости, т.е. межзонного интервала Eg:

Eq = EL — Еv           (уравнение 2)

Следовательно, для освобождения электрона энергия EPh должна быть больше межзонного интервала Eg. В чистом полупроводнике, в результате поглощения фотонов, создаются пары носителей заряда (электроны и дырки). Преодолеваемый межзонный интервал, к примеру, у кремния составляет Eg = 1,12 эВ при комнатной температуре. Без специаль­ных мер созданные пары носителей заряда уже через короткое время рекомбинируют. Однако создаваемое излучение в случае с кремнием не попадает в видимый глазу спектр.

В сильно легированных полупроводниках упомянутый выше внутренний фотоэлектри­ческий эффект дополняется внешним фотоэ­лектрическим эффектом. Поскольку преодо­леваемый энергетический перепад в таких внешних датчиках значительно меньше, они также подходят для излучения более длин­ных волн (инфракрасный диапазон).

Для энергий EPh  и Eg не происходит дальнейшего освобождения. Согласно урав­нению 1 в случае с кремнием это соответ­ствует предельной длине волны λg = 1,1 мкм (рядом с ИК-диапазоном). Свет с большей длиной волны или меньшей частотой уже не поглощается; здесь кремний становится прозрачным.

 

 

Светочувствительные элементы

 

Фоторезисторы

 

Случайный свет приводит к созданию пар но­сителей заряда в датчике с конфигурацией резистора (LDR, светочувствительный рези­стор). Эти пары носителей заряда увеличи­вают проводимость G. Через короткое время (считанные миллисекунды) они рекомбини­руют. Но, тем не менее, повышается концен­трация пар носителей заряда в стационарном равновесии с освещенностью Е согласно сле­дующему закону:

G = const·Eγ       (уравнение 3)

где γ = 0,7 -1

В качестве светочувствительных материалов обычно используются сульфид кадмия CdS (Eg = 1,8 эВ; λg= 0,7 мкм) и сепенид кадмия CdSe (Eg=1,5 эВ; λg= 0,8 мкм) на керамиче­ских подложках.

 

 

р-n переходы в полупроводниках

 

По существу разницы между фотоэлемен­том, фотодиодом и фототранзистором нет. В качестве измерительного эффекта все они используют фототок или безнагрузочное напряжение в освещенных р-n переходах. Однако элементы различаются принципами работы.

Носители заряда, создаваемые внутрен­ним фотоэффектом в запирающем слое р-n перехода (рис. «Разделение созданных пар «электрон-дырка» в плоском полупроводниковом компоненте с p-n переходом» ), сразу же ускоряются электрическим полем в области простран­ственного заряда с низкой концентрацией носителей заряда, в результате чего носители заряда расщепляются сразу после создания (дрейфовый ток). Их рекомбинация практи­чески предотвращается, и фоточувствитель­ность значительно повышается.

 

Разделение созданных пар "электрон-дырка" в плоском полупроводниковом компоненте с p-n переходом

 

Фотоэлементы

 

Фотоэлементы работают без внешнего на­пряжения смещения и могут действовать как без нагрузки (фотоэлектрический эффект), так и в короткозамкнутом режиме. Они имеют низкий фоновый шум и, соответственно, вы­сокую обнаруживающую способность.

Характеристические кривые, применимые к этим режимам (рис. «Характеристичекие кривые фотоэлемента в зависимости от освещенности» ), могут быть легко выведены как частные случаи работы диода, поляризованного в прямом направлении с напряжением U с термически кондициони­рованным током насыщения в закрытом со­стоянии Is и фототоком Iрh, текущим в обрат­ном направлении:

I = Is·exp (e·U/k-T)-Is-Iph (уравнение 4)

где:

е- элементарный заряд;

k — постоянная Больцмана;

T — абсолютная температура.

Особые случаи:

U=0 (короткозамкнутый режим) →I=Iк= -Iph;

I = 0 (без нагрузки)→U=UL=(k·T/e)·ln(Iph/Is +1).

Фотоэлементы обычно имеют очень боль­шую чувствительную к излучению поверх­ность и, соответственно, также обеспечивают относительно высокий фотоэлектрический ток (например, Iph = 250 мкА при Е = 1000 лк). Их постоянная времени прямо пропорциональна и обычно составляет по­рядка 20 мс.

Фотодиоды, фототранзисторы

Фотодиоды работают с постоянным напряже­нием смещения Us в обратном направлении, где фототок, протекающий как обратный ток, линейно зависит от освещенности Е (рис. «Характеристические кривые фотодиода при постоянном освещении Е» ). Область пространственного заряда увеличивается при подаче обратного напря­жения. В результате уменьшается емкость р-n перехода так, что частота отсечки такого фотодиода составляет несколько МГц.

 

Характеристические кривые фотодиода при постоянном освещении Е Характеристические кривые фототранзистора при постоянном освещении Е

 

В случае с фототранзистором, изобра­женном на рис. «Характеристические кривые фототранзистора при постоянном освещении Е» (прn), диод «коллектор-база», поляризованный в обратном на­правлении, действует как фотодиод. Таким образом, коллектор, как у любого транзистора, подает фототок, усиленный на коэффициент В (≈ 100-500) (соот­ветственно току базы). Однако, увеличе­ние чувствительности получается за счет чуть худшей частотной динамики и чуть худ­шей термической характеристики.

 

 

Применение оптоэлектронных датчиков

 

Датчик загрязнения фар

 

Датчик загрязнения фарС помощью такого датчика измеряется уро­вень загрязнения рассеивателя фары для включения автоматической системы его очистки (рис. «Датчик загрязнения фар» ).

Фотоэлектрический датчик экранирова­ния отраженного света состоит из источ­ника света (светодиод) и приемника света (фототранзистор). Источник расположен на внутренней стороне рассеивателя в пределах очищаемой поверхности, однако не на пути основного светового луча. Если рассеиватель чистый или покрытый каплями дождя, луч, испускаемый светодиодом, проходит через рассеиватель без помех. Только незначитель­ная часть отражается назад — к приемнику света.

Если луч наталкивается на частички грязи на внешней поверхности рассеива­теля, то отражается обратно к приемнику с интенсивностью, прямо пропорциональ­ной степени загрязнения; очиститель фары включается при достижении определенного уровня загрязнения.

Датчик дождя

 

Датчик дождя для ветрового стеклаДатчик дождя распознает капли воды на ве­тровом стекле для автоматического включе­ния стеклоочистителей. Но водитель может использовать и ручное управление; если нужно, автоматическая система может быть выбрана вручную при запуске двигателя.

Датчик состоит из оптической линии пере­дачи и приемного канала (подобно датчику загрязнения фары). Однако луч света направ­ляется на стекло под некоторым углом. Сухая внешняя поверхность стекла полностью отра­жает весь свет обратно к приемнику, который также установлен под углом (рис. «Датчик дождя для ветрового стекла» ). Если на внешней поверхности стекла имеются водя­ные капли, то они рассеивают свет, ослабляя, таким образом, сигнал. Стеклоочиститель ве­трового стекла реагирует также и на загряз­нения, превышающие порог срабатывания.

В следующей статье я расскажу о датчиках систем безопасности при движении автомобиля.

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *