приемники излучения принцип действия характеристики и параметры

Приемники излучения

Приемник излучения (ПИ) – устройство, предназначенное для преобразо­вания оптического излучения в электрический сигнал. Кроме того ПИ может выполнять функции анализа размеров изображения, определения его координат и других параметров. В качестве приемников излучения используют электрова­куумные и полупроводниковые приборы.

Фотоэмиссионные приемники бывают вакуумные и газонаполненные. Принцип работы основан на эмиссии электронов под действием падающего из­лучения. На рис. 1.75, а, б и в показаны устройство, схема включения и характеристики фотоэлемента (ФЭ).

В стеклянном баллоне 1 фотоэлемента размещены два электрода. Катод 2 нанесен на внутреннюю поверхность баллона тонким светочувствительным слоем. Анод 3 выполнен в форме кольца, сетки или диска, электроды имеют выводы 4 и 5. При определенном значении анодного напряжения U_A и светово­го потока Ф наступает режим насыщения. Недостатком фотоэлемента является малый ток фотоэмиссии I_ф. Для устранения этого недостатка разработаны фото­электронные умножители

К недостаткам ФЭУ следует отнести необходимость иметь высокое ста­билизированное питающее напряжение в сотни вольт и большие габариты.

В настоящее время широко применяются полупроводниковые фотоэлек­трические приборы: фоторезисторы (ФС); фотодиоды (ФД); фототранзисторы (ФТ); фототиристоры (ФТР).

Фоторезистор – это полупроводниковый прибор, электрическое сопро­тивление которого изменяется в зависимости от интенсивности и спектрального состава воздействующего на него светового потока. Фоторезистор представлен на рис. 1.77. Светочувствительным элементом ФС является полупроводник 1 на основе кадмия Cd, германия Ge или кремния 57, напыленный на подложку 2. По периметру полупроводника расположены контакты 3. Недостатки ФС – повышенная инерционность, нелинейность характеристики и зависимость от температуры.

Фотодиод – это двухэлектродный полупроводниковый прибор с одним p-n-переходом (рис. 1.78). Фотодиоды включают в обратном направлении, если нет освещения, фотодиод аналогичен обычному диоду.

При освещении прибора образуются пары носителей заряда (электронов и дырок), что ведет к увеличению обратного тока. Световая характеристика фо­тодиода линейна в большом диапазоне светового потока. Интегральная токовая чувствительность около 15 мА/Вт. Граничная частота быстродействующих фотодиодов составляет 10 7 Гц. Фотодиоды можно использовать также в гальвани­ческом (вентильном) режиме: при U = 0 фотодиод преобразует световой поток в электрическую энергию, э.д.с. которой составляет около 0,6 В.

Фототранзистор – это полупроводниковый прибор с двумя р-n-переходами. Ток фототранзистора возрастает под воздействием подвижных но­сителей заряда, образующихся при освещении прибора (рис. 1.79). В качестве фотоприемника фототранзистор включают в схему с общим эмиттером, остав­ляя вывод базы Б свободным. При освещении базы в ней происходит генерация носителей заряда, создающих фототок в коллекторном переходе. В отличие от фотодиода в фототранзисторе появляется инжекция электронов из эмиттера в базу и ток транзистора в В+1 раз больше собственного обратного тока (В – ин­тегральный коэффициент передачи тока базы, В ≈ 1000). В результате инте­гральная чувствительность фототранзистора примерно в тысячу раз больше фо­тодиода и достигает нескольких ампер на один люмен.

Включение фототранзистора без вывода базы применяют при больших световых потоках, обычно на вывод базы подают напряжение температурной стабилизации. Диапазон частот составляет от нескольких килогерц до мегагерц.

Фототиристор – полупроводниковый приемник излучения с тремя и бо­лее p-n-переходами, включение которого управляется световым потоком. По сравнению с другими фотоприемниками фототиристоры имеют следующие преимущества: более высокую чувствительность по сравнению с фотодиодами и фототранзисторами; наличие управляющего электрода позволяет осуществ­лять наряду со световым электрическое управление работой схемы.

Источник излучения и приемник, имеющие между собой оптическую связь, конструктивно могут быть объединены в единый прибор – оптрон. В источнике излучения электрические сигналы преобразуются в оптические, воз­действующие на фотоприемник и создающие в нем снова электрические сигна­лы. Таким образом, связь между входом и выходом осуществляется оптически­ми сигналами. Цепь излучателя является управляющей, а цепь фотоприемника – управляемой. Если оптрон имеет только один излучатель и один приемник, то его называют оптопарой.

Оптроны имеют ряд существенных особенностей: отсутствие электриче­ской связи между входом и выходом; широкая полоса частот до 10 14 Гц; воз­можность управления выходным сигналом путем воздействия на оптический канал; высокая помехозащищенность оптического канала от внешних электро­магнитных полей.

Конструктивно оптроны производят с закрытым или откры­тым оптическим каналом (рис. 1.80).

В оптронах с закрытым каналом (рис. 1.80, а) передающей средой могут быть воздушный или газовый промежуток, стекло, полимерный оптический лак и волоконные световоды. С помощью волоконного световода можно размес­тить приемник на значительном расстоянии от излучателя. Закрытые оптроны используются в качестве ключевых и аналоговых элементов, для гальваниче­ской развязки электрических схем, для коммутации больших токов и напряже­ний и в качестве реле.

Особую конструкцию имеют оптопары с открытым оптическим каналом. Как вариант между излучателем и приемником имеется воздушный зазор, в ко­тором может перемещаться объект, управляя потоком излучения (рис. 1.80, б). В качестве объекта может быть перфолента или вращающийся диск с прорезя­ми. В другом варианте оптопары с открытым каналом световой поток излучате­ля попадает на фотоприемник, отражаясь от объекта, что позволяет определять положение объекта или идентифицировать (определять, различать) объект по каким-либо признакам, например по штрих-коду.

Многоэлементные приемники излучения можно разделить на приемники с полной электрической развязкой отдельных чувствительных элементов – коор­динатные приемники излучения (КПИ) и на приемники с внутренними электрическими связями – приборы с зарядовой связью (ПЗС). КПИ позволяют осуществить произвольную координатную выборку отдельных элементов. Раз­меры отдельного элемента составляют несколько десятков микрометров, а их число может быть от нескольких десятков до нескольких тысяч. Частота считы­вания сигнала достигает 1 кГц.

10.8. Оптико-электронные системы измерения

Развитие средств технического диагностирования во многом определяет­ся возможностью бесконтактного измерения температуры частей машин и ме­ханизмов в процессе их функционирования. Техническое состояние подшипни­ков, гасителей колебаний, теплоизоляции кузова, электрических машин и аппа­ратов других механизмов определяется температурой или перегревом их рабо­чих частей. Бесконтактное измерение температуры возможно с помощью ОЭСИТ. ОЭСИТ позволяют измерять температуру путем анализа потока теп­лового излучения от объекта.

Основные законы теплового излучения.

Закон Планка описывает распределение энергии излучения абсолютно черного тела при температуре Т по спектру длин волн λ:

, (1.113)

Закон Стефана – Больцмана описывает энергетическую светимость для полного спектра излучения:

, (1.114)

Закон Голицына – Вина определяет длину волны для максимальной энергии излучения λ_max = 3000/Т, так как максимум излучения сдвигается влево, его еще называют законом смещения. Кроме того, для коротковолновой зоны имеем.

, (1.115)

обозначив у = λ/λ_max ; х = Me/Me_max получим удобную для практиче­ского использования единую изотермическую кривую, которая приведена на рис. 1.81.

В аппаратуре теплового контроля букс для измерения температуры букс используют высокочувствительный приемник инфракрасного излучения боло­метр – рис. 1.82.

Принцип действия болометра основан на изменении электрического сопротивления чувствительного элемента (терморезисторного элемента) под воздействием энергии ИК-излучения.

Болометр совмещает приемник ИК – излучения оптическую систему. Конструкция болометра показана на рис. 1.82, а.

Линза 5 болометра, изготовленная из германия, впаяна в держатель 3, который крепится к основанию 7 при помощи тугой посадки. Таким же образом ос­нование крепится в цоколе 9. Держатель линзы, основание и цо­коль установлены в цилиндрическом корпусе 2. Герметичность внутренней полости болометра обеспечивается за счет применения сварного соединения торцов держателя линзы и цоколя с корпусом. Внутри корпуса болометра размешаются основной 4 и компенсационный 6 терморезисторные элементы толщиной 10 мкм, подключенные к выводам 10. Терморезисторные элементы включены по схеме дели­теля напряжения (рис. 1.82, б) и питаются от специального источника питания (±15 В). Выводы болометра монтируются в цоколе на изоляторах 8 (см. рис. 1.82). Для защиты стеклянных изоляторов от влаги цоколь заливается специальным компаундом 1.

При отсутствии освещения инфракрасными лучами (ИК-излучение) мост сбалансирован. При кратковременном освещении терморезистор R_А нагревается, мост разбалансируется, и в измерительную систему аппаратуры поступает сигнал.

Основными рабочими параметрами болометра являются угол поля зрения оптики и постоянная времени. Постоянная времени характеризует временной интервал от начала облучения прием­ника до момента достижения выходным напряжением уровня 0,63 от установившегося значения. Меньшая величина постоянной времени обеспечивает постоянство выходного напряжения при более высоких скоростях движения поезда. В табл. 1.11 приведены значе­ния рабочих параметров для болометров старого (БП-1) и нового (БП-2, БП-2М) типов.

Рабочие параметры болометров

Конструкция болометра и рабочие параметры оптической си­стемы обеспечивают небольшой диаметр поля обзора корпуса буксового узла, что исключает прием ИК-излучения от посто­ронних деталей подвижного состава. Максимальное расстояние, на котором болометр уверенно фиксирует температуру нагретых элементов, составляет 2 м.

Источник

Основные параметры и характеристики приемников оптического излучения

Основные виды приемников оптического излучения и области их применения

Рассмотрим наиболее общие свойства приемников, в первую очередь, как преобразователей энергии оптического излучения в электрический сигнал, важные для согласования приемника с другими звеньями ОЭП, а также для выполнения перечисленных выше функций.

Приемники излучения разделяются на два основных класса – фотоэлектрические (фотонные) и тепловые. Принцип действия фотоэлектрических ПИ основан на внешнем (фотоэлементы, фотоэлектронные умножители и др.) или внутреннем (фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и др.) фотоэффекте. Все фотоэлектрические приемники являются селективными, т.е. их чувствительность зависит от частоты (или длины волны) излучения, падающего на приемник.

В тепловых ПИ энергия оптического излучения сначала преобразуется в тепловую, а лишь затем происходят изменения свойств приемника: возникает термоЭДС (термоэлементы), изменяется проводимость (болометры) или диэлектрическая постоянная (пироэлектрические ПИ), формируется чувствительный слой (эвапорографы) и т.д. Тепловые приемники неселективны.

Отдельными видами ПИ являются: многоспектральные, работающие в двух или более диапазонах оптического спектра; многоэлементные ПИ; координатные (позиционно-чувствительные) ПИ, у которых выходной сигнал зависит от координат изображения на чувствительном слое, и ряд других. Классификация ПИ проводится также по области спектральной чувствительности, степени охлаждения чувствительного слоя, быстродействию, физическим принципам действия (лавинные, инжекционные, гетеродинные, иммерсионные и др. ПИ).

Параметрами ПИ обычно называют величины, характеризующие свойства приемника при работе его в определенных условиях и служащие критериями оценки его качества.

Зависимость, определяющая изменение какого-либо параметра приемника при изменении внешнего воздействия на него, называется характеристикой.

4.2.1. Основные параметры приёмников оптического излучения

Чувствительность.[С.Е.В.2] В общем случае чувствительность приемника – это отношение изменения электрической величины на выходе ПИ, вызванного падающим на него излучением, к количественной характеристике этого излучения в заданных эксплуатационных условиях.

В зависимости от характеристики излучения различают чувствительность к потоку излучения s_Φe, чувствительность к световому потоку s_Φυ, чувствительность к облученности s_Ee или к освещенности s_Eυ.

Токовой чувствительностью s₁ называется чувствительность ПИ, у которого измеряемой электрической величиной является сила фототока, а вольтовой s_υ – чувствительность при измерении напряжения на выходе ПИ.

Различают также статическую чувствительность, определяемую отношением постоянных значений измеряемых на выходе и на входе ПИ величин, и дифференциальную – отношение малых приращений этих величин.

Иногда чувствительность характеризуется отношением числа квантов, вызвавших фотоэффект, к общему числу квантов излучения, попавших на чувствительную площадку ПИ. Это отношение принято называть квантовой эффективностью или квантовым выходом.

Поскольку сигнал на выходе цепи включения для некоторых типов ПИ может зависеть от напряжения питания (например, у фоторезисторов), иногда вводят понятие об удельной чувствительности, которая представляет собой чувствительность, отнесенную к 1 В питающего напряжения.

Током или напряжением шума ПИ называется среднее квадратическое значение флуктуации тока, протекающего через ПИ, или напряжения на заданной нагрузке в его цепи в указанной полосе частот.

Основные виды шумов для ПИ следующие.

Тепловой шум вызывается хаотическим тепловым движением свободных электронов. Дисперсия его в полосе частот Δf определяется по формуле

Дробовый шум определяется тем, что электрический ток является потоком дискретных частиц и зависит от их числа, которое флуктуирует во времени. Протекая по нагрузке R_н, этот флуктуирующий ток создает напряжение, дисперсия которого

где e – заряд электрона; I₀ – среднее значение силы тока; Δf – полоса частот. Спектры теплового и дробового шумов являются равномерными.

где A_T – численная постоянная, значение которой зависит от типа ПИ. Спектр этого шума подчиняется 1/f – зависимости.

Радиационный (фотонный) шум определяется флуктуациями сигнала, попадающего на ПИ, т. е. флуктуациями числа фотонов, приходящих на чувствительный слой как от внешних излучателей, и флуктуациями числа фотонов, излучаемых самим этим слоем. Кроме того, в тепловых приемниках появляются флуктуации температуры, обусловленные непостоянством процесса теплообмена между чувствительной площадкой и окружающей средой. Последние часто называют тепловыми флуктуациями.

Дисперсия флуктуации мощности излучения, поступающего от фона, имеющего температуру T_Φ и коэффициент излучения ε_TΦ, на ПИ площадью A для полосы частот Δf описывается выражением вида

где ε_T – коэффициент теплового излучения (поглощения) чувствительного слоя ПИ; σ – постоянная закона Стефана-Больцмана.

Поскольку ПИ является, в свою очередь, излучателем с температурой T_пи, то флуктуации «уходящего» от него потока описываются выражением

Общая флуктуация, определяющая дисперсию радиационного шума,

Спектр этого шума равномерный (белый).

Поскольку радиационный шум в значительной степени зависит от параметров источника излучения и условий работы ПИ, он определяет предел чувствительности ПИ. Часто за идеальный ПИ принимают тот, у которого все шумы незначительны по сравнению с радиационным.

Дисперсия напряжения радиационного шума на выходе приемника равна

где s_υф и s_{υ пи} – вольтовые чувствительности ПИ к излучению фона, имеющего температуру T_ф, и излучению самого приемника с температурой T_пи.

Если отдельные виды шумов некоррелированы, то случайные флуктуации вызовут шум, дисперсия которого

Порогом чувствительности приемника Φ_Π в заданной полосе частот называется среднее квадратическое значение первой гармоники действующего на ПИ модулированного потока излучения с заданным спектральным распределением, при котором среднее квадратическое значение первой гармоники напряжения (тока) сигнала равно среднему квадратическому напряжению (току) шума в заданной полосе частот на частоте модуляции потока:

Применительно к фотоэлементам и фотоумножителям величину Φ_Π называют эквивалентом шума.

Иногда порог чувствительности ПИ характеризуют величиной, эквивалентной шумам облученности или освещенности чувствительного слоя E_Π. На практике Φ_Π или E_Π часто определяют, измеряя уровень шумов в схеме включения приемника V_ш = √ V 2 _ш и выходной сигнал ΔV, заметно превышающий V_ш и соответствующий потоку ΔΦ или облученности ΔE, т.е.

Величина, обратная Φ_Π1, называется обнаружителъной способностью приемника:

Следует отметить, что этот параметр неоднозначен для различных конструкций ПИ одного и того же типа, так как для различных площадей A чувствительного слоя параметры s_υ и V_ш непостоянны.

Поэтому более удобно пользоваться удельной обнаружителъной способностью приемника:

Следует указать, что все перечисленные параметры рассматриваются по отношению к излучателю с одной и той же температурой и при постоянной температуре чувствительного слоя ПИ.

Поскольку величины s_υ и V_ш являются в общем случае функциями длины волны λ, то и D * также является функцией λ. Наиболее часто встречается случай, когда радиационный шум гораздо меньше других составляющих шума приемника, т.е. зависимостью V_ш от λ можно пренебречь. Для этого случая

Если же преобладает радиационный шум, например, порог чувствительности приемника определяется радиационным шумом излучения фона, поступающего на чувствительный слой («BLIP-detector» или «background-limited infrared photodetector»), то удельная обнаружительная способность D * _BLIP(λ) в этом случае определяется как

В некоторых расчетах удобно пользоваться приближением, описываемым линейной зависимостью монохроматической обнаружительной способности D * ₁ от длины волны 1, т.е.

где λ_max – длина волны, на которой D_λ * принимает максимальное значение – D * _{λ max}.

Если порог чувствительности ПИ определяется шумами фона, попадающего на чувствительный слой ПИ в пределах угла, который он «просматривает» (радиационный порог чувствительности Φ_{Π рад}), параметр D * в этих случаях находят для полусферического телесного угла 2π и пересчитывают для используемого в каждом конкретном случае угла Ω_ΠИ. Например, для ПИ с квадратной чувствительной площадкой и угловым полем 2ω_ΠИ

При согласовании приемника с последующей электронной схемой разработчику приходится учитывать величину R_T (или R_Д) при выборе типа усилителя и схемы связи приемника с усилителем.

Спектральные параметры (параметры спектральной характеристики). Коротковолновая и длинноволновая границы спектральной чувствительности ПИ определяются как наименьшая и наибольшая, соответственно, длины волн монохроматического излучения, при которых чувствительность ПИ равна 0,1 ее максимального значения.

Эффективность приема излучения в диапазоне λ₁…λ₂ можно оценить с помощью величины, называемой коэффициентом использования или спектральным КПД приемника:

где s_λ – спектральная характеристика чувствительности ПИ; Φ_λ – спектральная плотность потока излучения, падающего на ПИ.

Строго говоря, коэффициент использования можно считать параметром ПИ только в том случае, если рассматривать его по отношению к какому-то определенному источнику излучения, например, эталонному.

Геометрические, электрические и другие параметры. Для оценки конструктивных особенностей ПИ при работе его в составе ОЭП необходимо знать такие его параметры, как площадь и конфигурация чувствительного слоя, оптические свойства (коэффициенты поглощения, преломления и отражения), емкость, напряжение питания (рабочее напряжение), температура чувствительного слоя и ряд других параметров, описывающих его свойства.

Отдельные группы параметров характеризуют специфические свойства различных типов приемников, например, фоторезисторов, координатных фотоприемников и др.

4.2.2. Основные характеристики приёмников оптического излучения

Вольтовые характеристики. Вольтовые характеристики выражают зависимости чувствительности, тока и напряжения шума, удельной обнаружительной способности и других параметров от напряжения, приложенного к приемнику. Вольтовая характеристика чувствительности s(U) определяется при фиксированном потоке излучения, падающего на ПИ.

Зная энергетические характеристики ПИ, можно легко определить его интегральную (вольтовую, токовую) чувствительность, которая является крутизной зависимости U = f(Φ) или I = f(Φ).

1 – сернисто-кадмиевый фоторезистор CdS;

2 – кремниевый фотодиод;

3 – германиевый фотодиод;

4 – неохлаждаемый фоторезистор PbS₂₉₅;

5 – охлаждаемый фоторезистор PbS₇₈;

6 – охлаждаемый фоторезистор InSb₇₈;

7 – глубокоохлаждаемый (Т=ЗО К) фоторезистор Ge;

8 – охлаждаемый фотоприемник (фоторезистор, фотодиод) Hg_1-xCd_xTe при х=0,95 и температуре охлаждения Т=70 К;

9 – то же, при х=0,1 и температуре охлаждения Т=83 К;

10 – охлаждаемый фоторезистор Go:Au₇₈

Рисунок 23 – Спектральные характеристики некоторых ПИ

Селективные ПИ при увеличении потока, падающего на них, ведут себя подобно глазу – их чувствительность падает. Поскольку для большинства таких приемников энергетические характеристики нелинейны, т.е. крутизна в различных точках неодинакова, чувствительность ПИ необходимо определять при заданной освещенности (облученности) его приемной площадки, а также при заданном спектральном составе излучения. При других освещенностях значение чувствительности может быть иным, поэтому при изменениях потока, падающего на ПИ, следует учитывать изменение чувствительности, пользуясь энергетической характеристикой.

Частотные характеристики. Зависимость чувствительности ПИ от частоты модуляции падающего на него потока излучения называется частотной характеристикой чувствительности ПИ. Эта характеристика связана с постоянной времени приемника τ. Максимально допустимая (граничная) частота модуляции f_гр зависит именно от значения τ.

Зависимость D * от частоты модуляции потока излучения называется частотной характеристикой удельной обнаружительной способности.

Иногда к частотным характеристикам относят спектральные плотности тока или напряжения шума ПИ – распределения плотности φ_ш дисперсии тока или напряжения шума приемника по частотам. Эти зависимости называют также спектром мощности шума. Типичная зависимость такого рода для полупроводниковых ПИ приведена на рис. 6.2.

Рисунок 24 – Типичный спектр мощности шума ПИ

Зная подобные характеристики для конкретных приемников, можно выбрать частоту модуляции сигнала и полосу пропускания системы так, чтобы по возможности уменьшить влияние собственных шумов ПИ на чувствительность прибора. С точки зрения уменьшения дисперсии шума в заданной полосе Δf

целесообразно увеличивать рабочую частоту модуляции f₀ и уменьшать полосу пропускания Δf системы.

К временным характеристикам можно отнести также зависимости изменения параметров приемника во времени, характеризующие их стабильность.

Источник