Учебник - информационные системы (Глава 2)

Посмотреть архив целиком


Элементы информационных систем


ГЛАВА 2. ЭЛЕМЕНТЫ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ

Основой любой информационной системы является первичный преобразователь или чувствительный элемент (ЧЭ), изменяющий свое состояние под действием разнообразных вли­яющих факторов. В общем случае, каждый ЧЭ реагирует на различные воздействия, не являясь, таким образом, датчиком определенного параметра. Именно это обстоятельство привело к появлению пог­­реш­­ностей измерения. Пре­д­­­варительная обработка, в том числе и компенсация пог­решностей ЧЭ осуществляется измерительной цепью. В нее, кроме основных ЧЭ, предназначенных для измерения параметров сигналов, включают и дополнительные - ком­пенсационные ЧЭ, служащие для устра­нения погрешностей.

2.1. Чувствительные элементы датчиков

Среди ЧЭ, используемых в технике будем рассматривать лишь те, которые используются при формировании кинестетической, локационной, визуальной и тактиль­ной сенсорных функций - основных функций робототехнических и мехатронных систем.

В соответствии с физическим принципом, положенным в основу преобразования инфор­мации, различают следующие основные типы ЧЭ:

  • резистивные (в том числе - тензо- и фото);

  • оптические;

  • электромагнитные (в первую очередь - ин­дук­тивные);

  • пьезоэлектрические,

  • ЧЭ, основанные на эффекте Холла.

2.1.1. Резистивные чувствительные элементы

Резистивные ЧЭ нашли широкое применение во всех областях измерительной техники. Принцип действия резистивных ЧЭ основан на измерении вариаций сопротивления резистора R, определяемого по фор­муле:

где r - удельное сопротивление, l и $ - длина и сечение проводника.

Схематическое обозначение основных типов резисти­в­ных ЧЭ приведено на рис. 2.1. Промышленно выпускают аналоговые и цифровые ЧЭ

Аналоговые резистивные ЧЭ изготовляются из проводников, полупро­водников и прово­дящих жидкостей. Они имеют сопротивление в диапазоне 1 ... 106 Ом. Сопротивление цифровых резистив­ных ЧЭ, представляю­щих собой разные комму­таторы (тири­сторы, фотоэлектрические уст­рой­ства и т.д.) практически неограниченно. Допуски на резистивные ЧЭ указываются в % в со­ответствии с рядом: 0,001 0,002 0,005 0,01 ... 1 2 5 10 20 30

В системах управления при построении потен­ци­ометрических датчиков положения и пере­ме­ще­ния широкого диапазона изме­рения используются пере­менные (проволоч­ные и пленочные) резистивные ЧЭ. Сравнительные характеристики подобных ЧЭ приведены в табл.2.1. Обозначено: R - номинал, N - число оборотов вала, и V- угловая и линейная скорости вала, P - электрическая мощность, Æ, 1 и m - диаметр, длина и масса датчика соответственно.

Таблица 2.1. Сравнительные характеристики резистивных ЧЭ

Модель

Тип

R, кОм

N, об

e, %

w, об/мин,

(V м/c)

P, Вт

Размеры

Æ, мм 1, мм

m, кг


ПТП-1

круговой

0,2 ... 20

1

0,3 

100

1

29

22  

0,04 

ППМЛ

круговой

0,4 ... 8,2 

20

0,02 

200

1

19  

76  

0,1  

СП5-39

круговой

0,2 ... 47

20

0,1 

150

2

15  

43  

0,05 

СП4-8

круговой

1 ... 220

1

0,01 

100

0,5

31

21

0,02 

СР-JCL

линейный

0,2 ... 20

1

0,05

(500)


10

2000


Первые четыре модели разработаны в России. В дальнейшем будем отдельно отмечать устройства иностранных производителей. Модель СР-JCL разработана фирмой Kopal Den­sey, Япония.

Наиболее распространенным первичным пре­образователем инфор­ма­ционных систем тактильного типа является тензорезистор, представ­ляющий собой металлическую нить различной формы (рис. 2.2). Тен­зорезистор (ТР) устанавливается на поверхности упругого элемента датчика. Воз­никающая в упругом элементе деформация вызывает изменение сос­тояния ЧЭ, в соответствии с явлением тензоэффекта. Диапазон до­пустимых деформаций ТР определяется необходимой точностью из­ме­рений, и при погрешности 0,1% составляет ~ 1 10-5 ... 2 10-1 [ ].

Тензоэффектом называется свойство про­вод­ников и полупроводников изменять электри­ческое сопротивление при деформации. У полу­про­вод­ников тензоэффект связан с изменением удельного сопротивления, причем его знак зависит от типа проводимости ма­териала, а ве­ли­чина - от кристаллогра­фи­чес­кого направления. Работа ТР ЧЭ основана на законе Гука:

s = el E

где E, s, el - модуль Юнга, напряжение и линейная деформация соответственно. Для стали, например, s = (2 ... 8)108 Н/м2, E = (1,8 ... 2,9) 1011 Н/м2; для свинца - (5 ...10) 106 Н/м2 и (5 ... 18) 109 Н/м2 соответственно.

Деформация ТР измеряется в микрострейнах (мСт). 1 мСт соответствует де­фор­мации el = Dl/l = 1мкм/1м, т.е. = 10-6.

Сопротивление металлической нити  R = r l/$  при деформации изменяется по закону:

DR/R = Dl/l - D$/$ + Dr/ r = Dl (1+2n)/l + Dr/ r = (1+2n+m) D1/l

Здесь m - коэф­фи­циент пьезосопротивления, n - коэффициент Пуассона, рав­ный отношению поперечной деформации el поп к про­дольной el прод:

n = - el поп/el прод

В зоне линейной упругости n  = 0,3. (В выражении для D$/$ учитывается, что се­чение нити $ равно произведению сторон a и b - для прямоугольного сечения или pR2 - для круглого, что и приводит к равенству D$/$ = -2n Dl/l).

Тензочувствительность  первичного прео­б­разователя Sт  определяется за­висимостью:

Слагаемое  (1+2n) характеризует зави­си­мость Sт  от изменения геометрии, а m - от изменения свойств материала. Тензочувствительность показывает, насколько относительное изменение сопротивления ЧЭ превосходит его относительную деформацию. Так, например, для металлических ТР n = 0,3 и m = 0,4, следовательно, Sт » 2.

Таким образом, функция преобразования ТР ЧЭ примет вид: DR/R = Sт Dl/l или, обозначая DR/R = R, а Dl/l = l, получим R = Sт l

Важной характеристикой ТР является их температурная чувствительность, приводящая к изменению сопротивления даже в отсутствии деформации упругого элемента (рис. 2.3). Для ее оценки используется температурный ко­эффициент сопротивления  (ТКС) , где параметр RT пока­зывает изменение сопротивления ТР под действием тем­пе­ратуры. Коэффициенты R находятся в пределах от 2 10-5/0C - для константана, 10 10-5 - для нихрома и до 19 10-5/0C - для изоэластика.

ТР разделяются на три основные группы: проволочные, фольговые и полупроводниковые.

Основой проволочных ТР является струна из константановой проволоки диаметром ~ 2 ... 30 мкм, вкле­­енная с по­мощью фенольной смолы между бумаж­ными подложками. Струна изготавливается либо волоче­нием, либо методами мик­рометаллургии.

В фольговых ТР (рис. 2.2 а) используется кон­стантановая решетка, которая вытравливается фотохимическим способом из листов толщиной 5 ... 10 мкм и приклеива­ется на бумагу толщиной 30 ... 100 мкм. ТР этого типа имеют лучшую избирательность за счет оптимизации рисунка решетки. Так, например, для уменьшения влияния по­перечных деформаций поперечные части решетки делаются толще продольных. В этом случае, их электрическое сопротивление уменьшается.

Полупроводниковые ТР (рис. 2.2 б) также представляют собой проволоку или решетку, а в качестве ЧЭ используют монокри­сталлический германий или кре­мний. Они делятся на две группы: струнные и диффузионные. Струнные ТР изготавливают методом травления. Толщина струнных ТР составляет 20 ...50 мкм, ширина - до 0,5 мм и длина - 2 ... 12 мм;. Диффузионные ТР выполняются при помощи инжек­ти­рования при­месей непосредственно в монокристалл кремния, яв­ляющийся упругим эле­мен­том датчика. Изоляционный слой образуется благодаря p-n переходу, смещенному в обратном на­прав­лении. Дан­ная техноло­гия обеспечи­вает получение идентичных параметров всех ЧЭ.

Сравнительные характеристики ТР ЧЭ приведены в табл.2.2. Обозначено: I - ток, b - ширина ЧЭ.

Таблица 2.2. Сравнительные характеристики ТР ЧЭ

Модель

Тип

Диапазон деформа­ций, мСт

Sт

I, мА

S, мВ/В 

Размеры l, мм b, мм

КТД-2А,

КТЭ-7Б

Полупровод­никовый

1000

100

10

150

2

7

0,7

0,7

КФ-5, ФКПА

Фольговый

2000

3

30

3

11

5

Вт 356

Проволочный

6000

2

50

2

15

10

LG11 0,6/120

Фольговый

5000

2

12

2

5

3

Модель LG11 0,6/120 разработана фирмой HBM, Германия.

В настоящее время наилучшими ха­рак­те­рис­тиками обладают фольговые ТР. Для них характерна малая поперечная чувствительность Sтпоп и хорошая температурная стабильность. В зоне Гука (при el < 0,65%,  n = 0,3)  Sт  для константана равен двум, при ТКС R ~ 0,002%/ оC.

Проволочным ТР свойственна большая поперечная чувствительность Sтпоп. В расчетах полагают, что для них Sтпоп = 2 10-2 Sт.

Полупроводниковые ТР при существенно большей Sт (выше 100), обладают меньшей линейностью и самой высокой из всех ТР температурной чувствительностью. Для расширения температурного диапазона эксплуатации для полупроводниковых ТР используется технология «кремний на сапфире» (КНС), обеспечивающая работоспособность в диапазоне до - 271 ... + 400 0С.

При размещении ТР на поверхности упругого элемента его ТКС становится зависим от материала упругого элемента. Температурная компенсация ТР достига­ется при исполь­зо­вании материалов с согласованными темпера­тур­ными коэффициен­тами расширения т. В этом случае, вместо параметра R используется интегра­ль­ный коэффициент b, учитывающий материал упругого элемента. Итоговое изменение сопротивления ТР, установленного на упругий элемент составит: . Здесь b = S (ТРт - Ут), а ТРт и Ут - температурные коэффициенты линейного расширения материалов ТР и упругого элемента. Датчик считается термоком­пенсированным, если b < 1,5 10-6/ oC. Эффективная термокомпенсация обеспе­чива­ется для датчиков с упругими элементами из титана, стали, меди и других материалов с постоянными ТКС. ТР, работающие в динамических режимах не термокомпенсируют.

2.1.2. Электромагнитные чувствительные элементы

Развитие методов бесконтактного съема информации привело к широкому внедре­нию элек­тро­магнитных принципов преобра­зования. Именно электромагнитные ЧЭ в настоящее время являются основой большинства промышленных датчиков разного назначения. Принцип действия электромагнитных ЧЭ основан на том, что в измеряе­мый параметр (например, перемещение) «во­влекается» один из элементов магнитного контура (обычно - индуктивность). Изменение индуктивности вызывает изменение магнитного потока через изме­рительную обмотку, и, следова­тель­но, элек­триче­ский сигнал.

Напомним основные законы электромагнетизма, используемые при построении электромагнитных датчиков.

  • Магнитное поле создается проводниками с током, движущимися зарядами, намагниченными телами. Существует и переменное магнитное поле.

  • Основной силовой характеристикой магнитного поля является индукция B и сила Ампера F, связанные законом Ампера и правилом левой руки (рис.2.4):

dF = I [ dl B ],

где I - ток через проводник длиной dl.

  • Линии индукции охватывают проводники с током, а их направление определяется правилом буравчика (Дж. Максвелла).

  • Другой силовой характеристикой поля является его напряженность H. В изотропной среде напряженность равна:

H = B/0,

где и 0 - относительная магнитная проницаемость участка цепи и магнитная постоянная соответственно, 0 = 4 10-7 Вс/Ам = 4 10-7Гн/м. Произведение 0 = а называют абсолютной магнитной проницаемостью.

  • Магнитная проницаемость показывает во сколько раз индукция в данном веществе (или сила, действующая на проводник) больше, чем в вакууме. (В отличие от нее диэлектрическая проницаемость показывает во сколько раз сила взаимодействия зарядов в веществе мень­ше, чем в вакууме). Параметр характеризует реакцию вещества на внешнее магнитное поле. Вещества, в которых < 1 являются диамагнетиками, > 1 - парамагнетиками (при этом || 1). В ферромагнетиках >> 1 (достигает 105).

  • Явление электромагнитной индукции состоит в том, что в любом проводящем контуре, находящемся в переменном магнитном поле возникает ЭДС индукции E (закон Фарадея).

E = -dФ/dt

  • Если контур замкнут, то в нем возникает индукционный ток Iи. (Индукционные токи в массивных телах называются вихревыми или токами Фуко).

  • ЭДС индукции возникает и при изменении тока в цепи I. Это явление получило название самоиндукции, характеристикой которой явилась индуктивность L.

Ф = LI и Ф = Bn d$,

здесь Ф - магнитный поток сквозь поверхность площади $, Bn -нормальная составляющая вектора индукции B.

  • Индукционный ток Iи, возникающий вследствие самоиндукции подчиняется закону Ленца (про­ти­водей­ст­ву­ет изменению «основного» тока I в цепи).

  • Направление стороннего вихревого электрического поля электромагнитной индукции в проводнике движущемся в магнитном поле определяется правилом правой руки: если вектор В входит в ладонь, а большой палец указывает направление скорости движения проводника, то четыре пальца покажут направление поля электромагнитной индукции, возникшего в проводнике.

При построении электромагнитных дат­чи­ков наиболее известны два под­хода: индуктивный и индукционный. В первом случае, информативным параметром является индуктивность ЧЭ (катушки) L или коэффициент взаимной индукции M нескольких ЧЭ, во втором - ЭДС индукции. Параметр L называется также коэффициентом самоиндукции, а параметр М - коэффициентом связи между обмотками. 

ЧЭ могут включаться по дроссельной или транс­форматорной схе­мам. Дроссельная схема обычно содержит одну или две (при дифференциальном включении) катушки, в которой изменяется коэф­фици­ент самоиндукции L. Трансформаторная схема использует несколько катушек; в ней изменяется коэффициент вза­имной индукции M. Одна из катушек (обычно первичная) неподвижна.

Рассмотрим дроссельную схему. Индуктивность дросселя L с числом витков катушки N, магнитным сопротивлением Rm и относительной магнитной проницаемостью сердечника m вычисляется по формуле

где , m ~ 103 ... 104 (для ферромагнитного сердечника), а l и $ - соответственно длина и сечение сердечника. Вид функции преобразования ЧЭ зависит от того, какой из параметров является информативным; если $, то она линейна, если l - то нет. Как правило, оба этих параметра зависят от перемещения сердечника x , и тогда L = L(x) и M = M(x). Вектор индукции B направлен вдоль оси катушки, по правилу буравчика (рис. 2.5).

Если сечение магнитопровода постоянно по длине, то для Rm справедливо выражение:

Здесь lм и l0 - длина силовых линий в магнитпроводе и воздухе соответственно, $м, и $М - сечение магнитопровода и воздушного зазора.

В большинстве случаев электромагнитных ЧЭ ис­пользуется принцип изменения магнитного зазора. Индуктивность L равна:

В расчетах используют упрощенную формулу:

L = 0N2$/l0

Изменение зазора l0 связано с перемещением обкладки х выражением l0 = 2х (рис. 2.6а), и поэтому после упрощения получим:

Данное выражение может рассматриваться как функция преобразования электромагнит­ного ЧЭ. Видно, что зависимость коэффициента самоиндукции L от перемещения х нелинейна. При x << l0 зависимость L от х апроксимируется рядом:

.

Существен­ное уменьшение по­гре­шно­сти нелинейности дос­тигается диф­ферен­циаль­ным (встречным) вклю­чением двух одинаковых ка­тушек (рис. 2.6б). Имеем:

- для первой катушки и - для второй.

Следовательно, при L (L2 - L1) чувствительность схемы удвоится, а нелинейность уменьшится до членов второго порядка малости, вследствие компенсации нелинейностей 1-го и всех нечетных порядков (рис.2.7). Действительно

Приведем типичные характеристики простейшего дросселя: на несущей частоте 5 кГц индуктивность составляет ~ 5 мГн, индуктивное (реак­тив­ное) сопротивление ~ 150 Ом и активное сопротивление 20 ... 200 Ом.

В трансформаторной схеме (рис. 2.8) использу­ют­ся три обмотки: первичная и две вторичные. Это позволяет электрически развязать первичную и вторичную цепи и существенно снизить влияние катушек на подвижный элемент датчика.

Первичная и вторичные обмотки могут быть включены согласно или встречно, а также взаимно заменены в схеме.

Для питания датчиков дроссельного и трансформаторного типов используется синусоидальное напряжение час­то­той сети до 50 кГц. Правильный выбор частоты сети умень­шает помехи и магнитные потери.

В зависимости от диапазона измерений применяют схемы с продольным и поперечным перемещением сердечника. В первом случае (рис. 2.8), сердечник перемещается вдоль своей главной оси инерции, во втором (рис. 2.7) - перпендикулярно ей.

Индуктивные ЧЭ широко используются при построении бесконтактных датчиков перемещения. В частности, дифференциальные схемы с продольным перемещением сердечника позволяют измерять расстояния - 1 ... 500 мм, а с поперечным - 20 мкм ... 1 мм. При использовании сердечников длиной, равной длине катушки, регистрируемое перемещение может достигать 80% длины сердечника.

В табл. 2.3 приведены сравнительные характеристики для двух моделей электромагнитных ЧЭ. Обозначено: e погрешность, Uип - напряжение питания.

Таблица 2.3. Сравнительные характеристики электромагнитных ЧЭ

Модель

Диапазон измерения, мм

Uип, В

e, %

Æ, мм

l, мм

m, кг

ДСМ-01

± 2 (при расстоянии до объ­екта 7 мм)

24

0,5

28

20

0,05

B-TT

5

10...30


6

45

0,02

Примечание. Модель B-TT разработана фирмой Balluff, Германия.

2.1.3. Преобразователи Холла

Одно из важнейших для практических приложений гальваномагнитных явлений - эффект Холла известно более 100 лет, оно было от­крыто в 1879 г. доктором Эдвином Холлом, сотруд­ником Бал­ти­мор­ско­го универ­си­тета им. Дж. Хопкинса. Этим открытием он подтвердил тео­рию движения элек­тронов, изложенную за 30 лет до этого лордом Кель­вином. Холл обнаружил, что если расположить магнит относительно золотой пластинки, по которой протекает ток I, так, чтобы магнитное поле было перпендикулярно пластинке, между ее боковыми сторонами возникнет разность потенциалов Ux - ЭДС Холла. Это напряжение пропорционально силе тока I через проводник и магнитной индукции В. Поэтому преобразователи Холла можно считать разновидностью электромагнитных ЧЭ.

Первые приборы использующие эффект Холла появились лишь в 50-е годы ХХ века, когда был создан датчик СВЧ-излучения. В 1968 году была изготовлена пер­вая полупроводниковая клавиатура, использующая это явление. В конце ХХ века эффект Холла обнаружен в квантовой физике, за что исследователи были удостоены двух Нобелевских премий (в 1985 г. и 1998 г.). Наиболее известно использование преобразователей Холла в магнетометрах, измерителях параметров магнитного поля, датчиках перемещений и др. Так, например, датчик перемещений состоит из двух основных элементов - ЧЭ Холла и магнита, подвижных друг относительно друга. Перемещение магнита относительно ЧЭ вызывает сигнал, пропорциональный величине перемещения.

Самыми распространенными материалами преобразователей Холла являются полупроводниковые структуры на базе GaAs, InAs, InSb и др.

Преобразователь Холла относится к классу генераторных преобразователей, его выходным сигналом яв­ляется напряжение Холла Uх. Оно возникает в слу­чае, если через кристалл, находящийся в магнитном по­ле протекает опо­рный ток Iоп (рис. 2.9а, б). Функцию пре­образования ЧЭ Холла мо­жно представить в виде:

где Rх - постоянная Холла, h - эффективная толщина по­лупроводникового слоя, B sin - составляющая вне­шнего магнитного поля, перпендикулярная плоскости кристалла. Для металлов Rх 10-3 см3/Кл, для полупроводников Rх 105 см3/Кл. Постоянная Холла зависит от температуры, ее температурная чувствительность SxТ составляет (1…3)%/0С.

Если Iоп и постоянны, то Uх B. Тогда Uх = Sx B, где Sx = Rх Iоп/h - чувствительность преобразователя (рис. 2.10б).

Конструктивной особенностью ЧЭ этого типа является то, что выводные линии располагаются перпендикулярно направлению протекания тока.

В измерительных устройствах используются интегральные микросхемы, основанные на эффекте Холла. В состав такой микросхе­мы (рис. 2.10а) входят: датчик Холла, ста­билизатор опорного напряжения, опе­­ра­ци­он­ный уси­литель и эмиттерный повторитель. Величина вы­ходного напряжения Uвых зависит от напряжения Хол­ла и коэффициента усиления схемы, и в отсутствии магнитного поля равна нулю. (Если питание микросхемы осуществляется от одно­по­ляр­ного источника, как на рисунке, то относительно земли Uвыхо = Uип/2). Напряжение Холла невелико и составляет 30 мВ на 1 гаусс (0,1 миллитесла), что требует последующего усиления. Эмиттерный повторитель используется для умень­шения выходного сопротивления микросхемы.

Магнитные поля боль­шой силы не разрушают датчик Холла, лишь переводя его в режим насыщения с Uвых < Uип. Чувствитель­ность микросхемы равна:

S = Uвых/B

Используя графики можно найти Uвых при изменении B для известного Uип. Линейность схемы составляет 1 ... 2%.

Часто датчики, использующие преобразователи Хол­­­ла, имеют релейный выход. В этом случае, оконечный каскад микросхемы содержит триггер Шмитта и транзистор с открытым коллектором, что позволяет использовать разные шины питания микросхемы и нагрузки.

Микросхемы Холла используют в датчиках положения, тока, тахометрах, бесконтактных переключателях, магнит­ных карточках и замках. Сравнительные характеристики для нескольких ЧЭ Холла показаны .в табл. 2.4. Обозначено: B - индукция, t - время.

Таблица 2.4. Сравнительные характеристики ЧЭ датчиков Холла

Модель

В, мТл

Uип, В

t, мкс

Iпот, мА

Размеры, мм

m, г

срабатывания

отпускания


включения

выключения

К1116КП6

80

20

4 ... 30

0,2

0,5

3

13122

0,5

SАS-250

65

5

0 ...30

2

1

30

1062

0,2

TL-175

35

-35

5 ... 7



20

455

0,2

Примечание. Модели SАS и TL разработаны фирмами Simens и Texas Instruments соответ­ст­венно.

2.1.4. Оптические чувствительные элементы

В качестве ЧЭ оптического типа в датчиках чаще всего ис­пользуются оптронные пары (свето­излуча­тель - фото­элемент), построенные с исполь­зованием светодиодов (или ламп накала с вольфрамовой нитью, а иногда и лазеров) и фотодиодов (или фо­то­транзисторов).

Исторически, первыми излучателями оптических систем были вакуумные или газонаполненные лампы, получившие название ламп накала. Их достоинством является срав­нительно большая мощность излучения и ста­бильная температурная характеристика в широком диа­пазоне температур -60 ... +150 0С (рис. 2.11). Необходи­мый уровень выходного сигнала достигается уже при 50% выходной мощности, что позво­ляет увеличить ресурс работы ЧЭ путем пита­ния нити накала пониженным напряже­нием. (Так, при питании лампы 6В/4Вт, име­ющей срок службы 100 часов пониженным напряжением 4В ресурс возрастает до 10000 часов). Кроме того, высокая излучаемая мощность позволяет снизить требования к чувствительности и помехозащищенности фотоприемников.

Приме­нение ламп с нитью накала » в фотоэлектрических датчиках положений позволяет непосредственно сформировать «линию считывания и, тем самым, обойтись без ще­левых диафрагм. Такое простое техническое решение вдвое увеличивает разрешающую способность датчика.

В последнее время в промышленных датчиках положений все чаще используются излучающие полупроводнико­вые диоды - светодиоды. Их действие основано на яв­лении элек­­­тро­лю­минесценции.

Электролюминесценция газов - свечение газового разряда известна давно. Применительно к твердым телам она была открыта О. Лосевым в 1923 г. Сейчас, чаще всего для электролюминесценции используются полупроводниковые материалы, где она проявляется в «излу­чательной рекомбинации» носителей в прямосмещенном p-n переходе (рис. 2.12). На рисунке показано: Uo - прямое смещение, Евнеш - напряженность внешнего поля.

Яркость свечения пропорциональна току через светодиод.

В принципе, любой прямосмещенный p-n пе­реход является светодиодом, т.к. по крайней мере, часть носителей, попавших через барьер из эмиттера в базу рекомбинирует с рожде­нием фотона, и какая-то их доля, избежав по­глощения в диоде, вылетает наружу. На самом деле кремниевые и германиевые барьеры обла­дают малой вероятностью «излуча­тельной ре­комбинации». Для этой цели используются соединения на базе арсенида галлия (GaAsP, GaAlAs), в которых, даже не слишком хими­чески чистых, эта вероят­ность близка к 1.

Из курса электроники известно, что для создания в полупроводнике электрона проводимости и дырки, т.е. «электронно-ды­рочной» пары надо затратить энергию, или преодолеть энергетический барьер высотой Езапр (рис.2.13). На рисунке обозначено: Евал и Епр - энергии, соответствующие валентной зоне и зоне проводимости, Езапр - ширина запрещенной зоны. Добавлением в полупроводник акцепторов ширина запрещенной зоны уменьшается на величину Еакц. Энергия, необходимая для преодоления энергетического барьера может быть получена в ре­зультате тепловых колебаний кристаллической решетки и от энергичного внешнего фотона. В результате электрон попадает на уровень проводимости и образуется «электронно-ды­рочная» пара (рис.2.13). При рекомбинации пары выде­ляется эне­­ргия, равная по величине Езапр, иногда с излучением кванта света Еф = Езапр. Цвет (длина волны l) определяется энер­гией фото­на Еф испускаемого при рекомбина­ции. В большинстве случаев она равна ширине запрещенной зоны полупроводника Езапр, и, например, для GaAs светодиода равняется:

l = cзапр = 1,24/1,4 = 0,89 мкм.

Здесь - постоянная Планка ( = 6,62 10-34 Дж с), с - скорость света в среде. (Для вакуума с = 299792458 м/с)

Для перевода излучения в видимую, например, красную область спектра увеличи­вают ширину запрещенной зоны добавлением атомов фосфора.

Светодиоды характеризуются:

  • мощностью излучения Р (достигает 1,0 Вт);

  • спектральной характеристикой излучения S(l) и ее шириной на уровне 0,5 Р - S0,5(l) - до 50 нм;

  • значением длины волны l в максимуме S(l) - 0,4 ... 1,2 мкм;

  • углом направленности - 600 … 1600.

Направленность (Н) излучателя представляет собой свойство концентрации излучаемой мощности в относительно малом телесном угле. Диаграмма Н (рис. 2.14) характеризует зависимость мощности излучения Р от направления r (или угла ).

D(r)= Р(r)/Р(R0).

Направление R0 соответствует максимуму излучения Pmax; оно обычно совпадает с перпендикуляром к излучающей поверхности.

При использовании полярных координат D() угол обычно выбирают из условия, чтобы отношение Р/Pmax 0,8.

По массогабаритным показателям, надежности, быстродействию и потребляемой мощности светодиоды превосходят лампы накала. Их срок службы превышает 10000 часов. Недостатки светодиодов связаны с меньшей мощностью излучения Р (здесь луч­шие - арсенид галлиевые) и ее зависимо­стью от температуры Р = Р(T0).

В последнее время все большее распространение получают полупроводниковые лазерные диоды (рис. 2.15).

В основе работы лазера лежит способность некоторой активной среды под действием внешнего электромагнитного излучения определенной частоты формировать когерентное монохроматическое излучение. Впервые идея инициирования самовозбуждающихся колебаний была предложена В.А. Фабрикантом и Д. Вебером в 1951 г, а реализована Д. Гордоном, Х. Цайгером и Ч. Таунсом в 1954 году.

Особенностью лазерного излучения является очень острая диаграмма Н и исключительно малый диаметр фокального пятна. (В датчиках положения он оставляет менее 0,1 мкм).

Толщина полупроводникового пакета из трех слоев не превышает 100 мкм при ширине слоя 300 мкм, а стороны пакета имеют длину 400 мкм и ширину 300 мкм. Генерация света происходит в активном слое арсенида галлия при прохождении через него тока. Резонатор образован гранями полупроводникового крис­­талла, перпендикулярными плоскости электродов. Таким образом, источником излучения является узкая полоса на боковой стороне пакета слоев.

Большинство лазерных диодов излучают свет в инфракрасном (ИК) диапазоне. Длина волны (и, следовательно, размер фо­каль­ного пятна) зависит от содержания алюминия. Сейчас промышленно выпускают лазерные диоды с длиной волны 0,78 ... 0,63 мкм. Выходная мощность дос­ти­гает 0,003 ... 0,5 Вт, при долговечности более 100000 час.

Недостатком лазерных диодов является сравните­ль­но большие потери оптической энергии.

Действие приемников света основано на внутреннем фотоэффекте. В отличие от внешнего фотоэффекта, открытого Г. Гер­цем в 1887 г., здесь не происходит вылета электронов за границы материала, а лишь меняется энергетическое состояние этих электронов. В оптических сис­темах чаще всего используются фотодиоды и фототранзисторы. Фотодиод пред­­ставляет собой полупроводниковый диод на базе p-n перехода или барьера металл - полупроводник, смещенного в обратном направлении (рис. 2.16). При этом обратный ток фотодиода Iф зависит от освещенности его p-n перехода Ф.

В общем случае, если на полупроводник па­дает свет с энергией фотона Еф = c/ > Езапр, то каждый поглощенный фотон порождает в нем электронно-дырочную пару. Если эта пара воз­никает в области объемного заряда обратнос­мещенного p-n перехода, то она подхватыва­ется электрическим полем, причем электрон выбрасывается в n-область, а дырка в p-область. В темноте «генера­ци­онный» или «темновой» ток оп­ределяется числом электронов и дырок, возни­кающих в области объемного заряда за счет тепловой генерации. При освещении светом с энергией большей, чем ширина запрещенной зоны Езапр ток через переход воз­рас­та­ет. Поэтому фототок во столько раз больше темнового, во сколько раз число носите­лей, создаваемых в области объемного заряда светом больше числа, возникающих при тепло­вой генерации.

При освещении выпрямляющего перехода световым потоком Ф происходит генерация из­бы­точных но­сителей и обратный ток возрастает на вели­чину  Iф, называемую фототоком (рис. 2.17а). Ве­личи­на об­ратного смещения, прикладываемого к пере­хо­ду, составляет 10 ... 30 В. Фотодиоды изго­тавливают на основе германия и кремния и имеют линейную функ­цию преобразования.

В качестве приемников для ИК GaAs светодиодов с энергией Езапр = 1,4 эВ используются кремниевые фотодиоды, для которых максимум спектраль­ной чувстви­тель­нос­ти приблизительно соответствует 1,4 эВ.

Работа фототранзистора (рис. 2.18а) основана на принципе усиления фототока коллекторного p-n перехода. В этом случае можно считать, что внутри фототранзистора между его базой и коллектором включен фотодиод, вырабатывающий фо­­­­тоток Iф, который созда­ет токи в цепях транзистора (рис. 2.18б,в):

Iк = h21э Iф  - в цепи коллектора;

Iэ = (1 + h21э) Iф   - в цепи эмиттера.

Здесь h21э - коэффициент усиления схемы с общим эмиттером.

Функцию преобразования фотоприемника можно пре­д­ставить в обобщенном виде (рис. 2.17б):

Iф = Sф Ф

где Sф - светочувствительность. Световой поток Ф измеряется в люменах (Лм).

Фотоприемники характеризуются:

  • спектральной характеристикой S(l) (рис. 2.19), а также длиной волны l в ее максимуме (для германиевых l = 0,6 ... 1,0 мкм, для кремниевых - до 1,5 мкм);

  • темновым током (Iт ~50 мкА);

  • интегральной чувствительностью Sф (до 100 мА/лм - для фотодиодов и до 1 А/лм - для фототранзисторов).

  • быстродействием (временем спада фо­тотока) t, определяемым шириной области объемного заряда Ноз и дрейфовой скоростью электронов и дырок Vд в этой области:

t = Ноз /Vд = 10-4 см/107 см/с = 10-11 с.

Оптические ЧЭ позволяют строить высо­конадеж­ные и точные датчики с разреше­нием свыше 13 двоичных разрядов (и диапазоном преобразования – более 213). В таблице 2.5 приводятся сравнительные характеристики разных оптических ЧЭ. Обозначено: Ф - световой поток, S - чувствительность.

Таблица 2.5. Сравнительные характеристики оптических ЧЭ

Модель

Тип

Uип, В

I, мА

(l, мкм)

Ф, лм

(S, мА/лм)

Размеры, мм

(масса, г)

Срок службы, ч

СМН10

лампа накала

10

0,05

1

Æ39

1500

АЛ115

светодиод

2

50

10 мВт

Æ2,46,3 (0,2)

2500

АОД111

оптопара

10

20

2мкА/мкм

(1)

5000

КФДМ

фотодиод

20

(0,9)

(100)

1,91,9 (0,8)

5000

ФЭУ-96

фотоумножитель

до 2000

(0,35)

(30000)

(25)

1500


2.1.5. Пьезоэлектрические чувствительные элементы

Пьезоэлектрические первичные преобразова­тели широко используются в акселерометрах, а также в датчиках переменной силы и давления и относятся к классу генераторных измерителей совмещенного преобразования. Частотный диапазон изме­рений составляет 10-5 ... 105 Гц.

Пьезоэлектрическим называется эф­фект поляризации анизотропного диэлектрика под дейст­вием механического напряжения или возникновения в нем механических деформаций под действием электрического поля. В первом случае говорят о прямом пьезоэффекте, во втором - об обрат­ном.

Пьезоэлектрики входят в группу сегнетоэлектриков , Х обнаруженных чехом Й. Валашеком в 1921 г и получивших свое название в честь французского аптекаря П. Сегнетта, син­те­зиро­вавшего сегнетову соль в XVII веке. Сегнетоэлектриками являются кристаллические и керамические диэлектрики, у которых в отсутствии внешнего электрического поля возникает самопроизвольная ориентация дипольных моментов частиц, входящих в состав кристаллической решетки. Эти мельчайшие области получили название доменов.

Пьезоэффект был открыт в 1880 году П. Кюри, исследовавшем кристаллы сегнетовой соли. Пер­вые пьезодатчики для измерения избыточ­­ного давления и обнару­жения подводных объектов предложил использовать П. Ланжевен во время Первой мировой войны 1914 - 1917 г.г. В 20-х годах XX века создаются пье­зоэлек­трические микрофоны, теле­фо­ны, граммофон­ные звукосниматели. В 1922 го­ду американец У. Кейди использовал пьезоэлек­три­ческий стержень для стабилизации частоты элек­трон­ного высокочастотного генератора. Первый керамиче­ский пьезоматериал (ти­та­­­­нат бария) синтезировали в 1944 году советские ученые Б. Вул и И. Голь­д­ман.

Пьезоэффект обладает знакочувствитель­нос­тью, т.е. знак заряда меняется при замене сжатия растяжением, а знак деформации - при изменении направления поля. Пьезоэлектриче­скими свойствами об­ладают многие кристалли­ческие вещества: кроме сегнетовой соли - это кварц, турмалин, ниобат лития, и др., а также искусственно создаваемые и специально поляри­зуемые в элек­трическом поле пьезокерамики: титанат бария (BaTiO2), титанат свинца, цир­конат свинца и т.д. В пьезоэлектронных устройствах обычно используются ультра и ги­пер­звуковые волны, и электромагнитные коле­бания в частотном диапазоне 10 кГц ... 1,5 ГГц. Для них характер­на высокая стабильность параметров, например, в пьезокерамических генераторах она составляет 105, а в кварцевых достигает 108.

Пьезоэлектрический ЧЭ (рис. 2.20а, б) по своему устройству и принципу действия напоминает конденсатор, напряжение на обкладках которого, зависит от расстояния между ними и изменяется при любых вариациях последнего. Это обстоятельство позволяет использовать его в качестве преобразователя динамических параметров - силы, давления, вибрации.


Случайные файлы

Файл
325.doc
20603-1.rtf
140991.rtf
73511-1.rtf
181296.rtf