Датчики. Фотодатчики

Одними из наиболее широко применяемых датчиков в автоматике являются фотодатчики (фотосенсоры). В данном материале мы рассмотрим различные типы фотоэлементов в хронологическом порядке. В разделе применение вы увидите различные примеры применения датчиков, из различных областей науки и техники.

Вакуумные фотоэлементы

Исторически самыми первыми фотодатчиками стали вакуумные фотоэлементы. Основаны они на так называемом фотоэффекте. Суть фотоэффекта в том, что при облучении металла светом, с достаточной энергией фотонов, фотоны начинают выбивать из металла электроны. Если вылетевшие из металла электроны притянуть положительно заряженным электродом — анодом, то можно зарегистрировать электрический ток, состоящий из электронов который будет пропорционален интенсивности света, которым освещен металл.

IMG_2528

Эйнштейну дали нобелевскую премию не за теорию относительности, а за объяснение явления фотоэффекта.

В качестве металла у фотоэлемента использовано напыления из цезия — виден характерный цвет. У цезия малая работа выхода, значит красная граница фотоэффекта лежит недалеко. Добавками можно добиться, чтобы элемент видел даже ближний инфракрасный свет.

Недостатком такого типа элемента является как нетрудно догадаться являются большие габариты. Если с потребностью в высоком напряжении, трудоемкостью изготовления, хрупкостью можно как то бороться, то габариты уменьшить не изменив принцип работы будет затруднительно.

Окрашенных металлов в природе немного — это Au, Cu и Cs, (от части Os но его окраска не так интенсивна) остальные металлы белые.

Фотоэлектронные умножители

Логическим продолжением вакуумных фотоэлементов являются фотоэлектронные умножители (ФЭУ). Они предназначены для регистрации очень слабого света, они могут регистрировать даже отдельные фотоны! Если вы попытаетесь зарегистрировать одиночный фотон каким либо другим сенсором — например фоторезистором или фотодиодом то вы потерпите неудачу, отличить полезный сигнал от шума будет невозможно. А фотоэлектронный умножитель благодаря своему устройству практически не дает на выходе шумовой сигнал в отсутствие света.

IMG_2538

Фотоэлектронный умножитель. Слева входное окошко, сквозь колбу видно каскады анодов.

Принцип заложенный в основу этого прибора прост. Когда фотон выбил из металла электрон, этот самый электрон умножается при помощи каскада анодов. Электрон притягивается к положительно заряженному аноду и ускоряется за счет этого. Получив дополнительную энергию он ударяется в металл анода и выбивает из него вторичные электроны. Был один электрон, а выбил к примеру три. Эти три электрона притягиваются к следующему аноду, который более положителен, чем тот, из которого их выбили. Притягиваясь электроны ускоряются, получают дополнительную энергию и каждый выбивает к примеру по три электрона. Было 3 электрона — стало 9. Эти 9 электронов притягиваются к следующему аноду…. и так далее, в итоге на последнем аноде мы получаем огромный поток электронов, который вызывает протекание тока в цепи анода, который мы и регистрируем.

Фотосопротивления

В вакуумных фотоэлементах используется так называемый внешний фотоэффект, Но бывает еще и внутренний фотоэффект — когда выбиваются электроны из атомов материала в его толще, и электроны не покидают кристаллическую решетку материала. Если материал диэлектрик то в его структуре нет свободно болтающихся электронов, как в металле. И если под действием облучения фотоны выбивают электроны у атомов, то эти электроны перемещаясь по кристаллической решетке могут переносить заряд. Иными словами материал, который ток не проводил под действием света начинает ток проводить. Такими свойствами обладает например селен.

Фотосопротивления

IMG_7897

Фотографии различных отечественных фотосопротивлений.

Фотосопротивления используются для измерения интенсивности света. Основным недостатком является низкая скорость работы — предельная частота менее сотни килогерц.  Преимущества — простота, дешевизна, легко включить в электрическую схему. Зависимость сопротивления от уровня освещенности практически линейная.

Фотоэлементы с pn-переходом

К ним относятся фотодиоды, фототранзисторы, солнечные батареи и т.п. В основу положен все тот же внутренний фотоэффект, но с некоторыми нюансами. Обладают большой скоростью работы. И что важно — могут преобразовывать свет напрямую в электричество, что делает их незаменимыми как источник энергии, а также для автономных устройств автоматики.

Что не вошло в обзор

Видов фотодатчиков много, в  зависимости от требуемых характеристик. Здесь не описаны ни болометры, ни пироэлектрические датчики, ни ячейки Голея и т.д. По причине того, что во-первых это довольно редкие и узкоспециализированные приборы, а во-вторых тем, что у нас отсутствуют достойного качества иллюстрации. Любознательным, а также студентам направления «Автоматизация» рекомендую книги из раздела «Что почитать».

Примеры применений.

Вакуумные фотоэлементы

Практически не используются. Но благодаря тому, что выбрав материал катода таким, чтобы красная граница фотоэффекта проходила в зоне ультрафиолета можно получить прибор, который реагирует на ультрафиолетовое излучение, обладает преимуществами вакуумных элементов (минимальный шум) и не требует фильтра отсекающего все остальные виды излучений, как в случае полупроводников. Типичный пример — датчики УФ излучения для пожарных извещателей UV-Tron R2868 (спасибо Zhevak за наводку на них)

uvtron

Фотоэлектронные умножители

Фотоэлектронные умножители прочно заняли свою нишу в ядерной технике, в паре с сцинтилляционным кристаллом они используются для регистрации элементарных частиц (заряженная частица пролетая сквозь сцинтилляционный кристалл взаимодействует с ним, создавая черенковское излучение, которое очень слабо и усиливается фотоэлектронным умножителем).

Схема работы детектора элементарных частиц на базе сцинтилляционного кристалла и фотоэлектронного умножителя. Иллюстрация из википедии.

Если же в фотоэлектронном умножителе последний анод заменить экраном, который светится под действием электронов, сам прибор уменьшить до размеров тонкой трубочки (заменив пластины анодов непрерывной пленкой металла с большим сопротивлением, чтобы создавался градиент напряжений), и из таких приборов составить матрицу, то мы получим прибор ночного видения, который усиливает по яркости картинку, которая проецируется на матрицу из фотокатодов. Один фотоэлектронный умножитель — один пиксель.

Image27

Фотоэлектронный умножитель выполненный в виде непрерывной трубочки. Картинка отсюда.

Фоторезисторы

Используются как дешевый датчик освещенности в различных бытовых приборах, к примеру таких как ночники.

Ответственные фотосопротивления могут использоваться в различных приборах, например мутномерах.

В паре с лампой накаливания фоторезисторы образуют резисторную оптопару. Оптопара позволяет электрически развязать различные электронные схемы. Из-за свой низкой скорости работы резисторные оптопары не применяются в системах автоматики, но применяются в различной звуковой аппаратуре для получения эффектов.

IMG_8104

Фотодиоды и фототранзисторы

Применяются в оптопарах (бесконтактных выключателях) в принтерах, сканерах, различных приборах. Вот пример того как фотодатчик используется для определения положения клапана баллона в автоматических освежителях воздуха. На базе фотоэлементов изготавливаются защитные инфракрасные барьеры. Если разместить много фотодиодов в линейку, то получится вот такой сенсор:

IMG_2659

Расположившись на каретке в планшетном сканере, при протягивании строка за строкой он превращает документ в электронную форму.

В цифровых фотокамерах в качестве датчика используется матрица из полупроводниковых фотодетекторов, они превращают падающий на них свет в электрический сигнал, который обрабатывается процессором фотокамеры и позволяет записать изображение спроецированное на матрицу как графический файл. Стоит ли говорить, что оптические мышки представляют собой маааленькую фотокамеру, которая фотографирует поверхность под собой, и если обнаруживает смещение изображения в какую-либо сторону интерпретирует это как перемещение курсора.

Открытые оптопары используются для измерения угла поворота:

IMG_2585

Вверху расположен светодиод, который создает поток света сквозь щелевой диск на фотодиод (или фототранзистор). Достаточно посчитать количество импульсов, которые создаст фотодиод что бы узнать угол, на который повернулся вал, при том что период щелей нам известен. Если же полученную информацию поделить на время, то мы получим угловую скорость вращения. Аналогичные датчики используются для определения положения головки в струйных принтерах, только вместо диска там используется лента.

Фотодатчики используются в приборах для измерения концентрации гемоглобина в крови. Кровь разбавляется раствором, заливается в пробирку, пробирка вставляется в прибор.

2013-06-05 09.01.56

Пульсоксиметры тоже работают на базе фотодатчиков.

Заключение

Нельзя объять необъятное, так и нельзя в рамках небольшого текста рассмотреть все виды фотодатчиков и все варианты их применений. Подробный разбор физических основ и тонкостей применения есть в соответствующей литературе. Я же в данном посте постарался дать краткое и наглядное описание распространенных типов фотодатчиков. Все фотографии (кроме тех у которых указан источник) за моим авторством и распространяются под лицензией Creative Commons 3.0 BY-NC-SA. Если у вас есть дополнения, замечания — оставляйте комментарий, в том прелесть онлайн материалов что они живые и улучшаются со временем.

Что почитать?

Рекомендую книгу Дж. Фрайден Современные датчики. Справочник. Техносфера, М.: 2005 по ширине охвата современных датчиков ей нет равных, многие современные издания отечественных авторов к сожалению просто копируют содержимое аналогичных книг 60х годов.

Добавить комментарий

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