Разработка устройства для измерения освещенности и коэффициента пульсации светового потока

 

 

 

 

 

Характеристики:

Фоточувствительный элемент: кремниевый фотодиод

Диапазон измерения освещенности: 10 — 200000 лк

Коэффициент пульсации: 1 — 100%

Погрешность по освещенности: ±8%

Погрешность по пульсации: ±10%

Питание: 9В, батарея типа «Крона»

Стоимость: 17000 руб. [30]

Достоинства: Наличие кабеля, соединяющего блок управления и датчик освещенности, возможность измерения коэффициента пульсации светового потока, большой диапазон измерения освещенности, наличие последовательного порта

Недостатки: Цена

• Выводы

В данной главе был рассмотрен ряд устройств, которые в большей или меньше степени являются функциональными аналогами разрабатываемого устройства. Исследование рынка показало, что можно найти довольно много устройств, позволяющих производить замер уровня освещенности, предназначенных как для фото- и кинопромышленности (экспонометры), так и для промышленного применения (люксметры). Однако поиск дал всего два устройства, позволяющих производить также замер коэффициента пульсации — это модель Аргус 07, которая производится компанией ЕвроЛаб, а так же аналогичное устройство ТКА ПКМ модель 08, производимое компанией Экосфера. Эти приборы с лихвой удовлетворяют функциональным и техническим требованиям, представленным к разрабатываемому устройству, они позволяют производить замеры уровня освещенности в широком диапазоне и коэффициента пульсации с высокой точностью, обладают удобным интерфейсом  и конструкцией, к плюсам модели ТКА ПКМ также стоит отнести наличией интерфейса взаимодействия с компьютером.  Главный недостаток этих моделей — их высокая стоимость.

Настоящая разработка оправдывает себя и является уникальной именно за счет сравнительно низкой себестоимости прибора.

4. Обзор датчиков освещенности

В настоящее время промышленность выпускает различные виде датчиков освещенности: фоторезисторы, фототранзисторы, фотодиоды. Фоточувствительные элементы обладают следующими характеристиками:

Чувствительность  фотоэлемента (S) — отношение изменения  электрического параметра датчика, вызванного падающего на фотоприемник излучением, к количественной характеристике этого излучения [31].

Монохроматическая чувствительность определяется отношением изменения электрического параметра при облучении светом с определенной длиной волны. У разных датчиков наибольшая чувствительность проявляется в различных спектрах. Лучше всего для поставленной задачи подходят датчики с спектральной чувствительностью, наиболее приближенной к чувствительности человеческого глаза (длины волн 380-780 нм, максимальная чувствительность — 555 нм). Если, например, датчик проявляет наибольшую чувствительность в красном спектре, то для его корректной работы необходимо применение специального сине-зеленого фильтра [32].

Максимум  спектральной характеристики (λ_макс) — длина волны, соответствующая максимуму спектральной характеристики прибора [32].

Коротковолновая граница спектральной чувствительности (λ') — наименьшая длина волны  монохроматического излучения, при которой монохроматическая чувствительность фотоприемника равна 0,1 ее максимального значения [32].

Аналогично  определяется длинноволновая граница  спектральной чувствительности (λ'').

Помимо  чувствительности, при выборе датчика освещенности следует обращать внимание на линейность зависимости изменения электрического параметра, вызванного падающим на фотоприемник излучением, к величине этого излучения. Чем более линейна данная зависимость, тем проще схема в реализации.

Также важными факторами при выборе датчика могут являться стоимость замены, калибровка, сложность эксплуатации. Прежде чем делать обзор датчиков, представленных на данный момент на рынке, необходимо провести обзор основных видов датчиков освещенности и разобраться в их характеристиках и параметрах.

• 4.1. Фоторезисторы

Принцип действия фоторезисторов основан  на внутреннем фотоэффекте. Излучение, падающее на полупроводник, частично поглощается  в его объеме, взаимодействуя с  атомами кристаллической решетки  или примесей. Поглощение в фоторезисторе фотонов сопровождается увеличением проводимости, приращение которой называют фотопроводимостью. Если к фоторезистору подключен источник напряжения, то в соответствии с изменением его проводимости при освещении через его контакты из внешней цепи будет протекать ток, значение которого превосходит число изначально образованных фотоносителей. Происходит усиление фототока [33].

Ниже  рассмотрены основные параметры  фоторезисторов, которые играют главную  роль при выборе датчика освещенности для разрабатываемого устройства:

Рабочее напряжение (U_р) — постоянное напряжение, приложенное к фотоприемнику, при котором обеспечиваются номинальные значения параметров при длительной эксплуатации. Так как разрабатываемое устройство должно быть автономным и питаться, соответственно от гальванических источников, рабочее напряжение датчика должно быть в пределах 1,5 В [32].

Интегральная  чувствительность (S_инт) — чувствительность фотоэлемента к немонохроматическому излучению заданного спектрального состава. Величина, определяемая как отношение приращения фототока к вызвавшему его приращению светового потока при постоянном рабочем напряжении [32].

Собственная постоянная времени (τ) — интервал времени, по истечении которого спадающее  по экспоненте напряжение фотосигнала после прекращения воздействя излучения, уменьшается в e раз. Также эта величина равна интервалу времени, за который напряжение фотосигнала достигает доли от максимального значения после начала воздействия излучения. Постоянная времени — важная величина, т. к. при разработке устройства также необходимо учитывать коэффициент пульсации падающего на фотоэлемент светового потока [32].

Абсолютная  спектральная характеристика чувствительности S_абс(λ) — зависимость монохроматической чувствительности фотоприемника от длины волны регистрируемого потока излучения. Абсолютная спектральная характеристика определяет относительную  характеристику, зависимость между которыми выглядит как [32]

.

В зависимости от материала, фоторезисторы  обладают различной чувствительностью.

Фоторезисторы на основе CdS обладают чувствительностью  в диапазоне 400...900 нм с максимумом на длинах волн 500...600 нм. У фоторезисторов на основе CdSe спектральная характеристика чувствительности помимо видимой части спектра, занимает ближайшую инфракрасную. Коротковолновая граница — 500 ни, длинноволновая — 1200 нм, максимум — 700 нм. Фоторезисторы из других материалов спектральная характеристика чувствительности лежит в инфракрасной зоне, и применяются для контроля температур горячих объектов, излучающих свет в инфракрасном диапазоне [33].

 Энергетическая (люкс-амперная) характеристика (зависимость фототока от падающего  излучения) определяется формулой

I_Ф = CUE^α,

где C — постоянная, определяемая свойствами материала, а α — коэффициент  нелинейности, значение которого для  большинства фоторезисторов находится  в интервале 0,5...1. В целом характеристики нелинейны, но иногда содержат линейный участок в пределах одной  декады освещенности. Наклон характеристик и, следовательно, интегральная чувствительность максимальны в области слабых освещенностей. Форма кривых слабо меняется с ростом прикладываемого к фоторезисторам напряжения [32].

 Энергетические характеристики снимаются для короткозамкнутого включения фоторезистора. При увеличении сопротивления нагрузки до 50 кОм  и больше происходит перераспределение напряжения между фотоприемником и нагрузкой. Вследствие этого появляется участок насыщения люкс-амперной характеристики в области сильных освещенностей.

Вольт-амперные характеристики у большинства  фоторезисторов линейны до предельно  допустимых напряжений. Нарушение линейной зависимости может происходить  при малых напряжениях (значительно  меньше рабочих), либо при больших напряжениях, особенно в случае сильной засветки. Рабочее напряжение фоторезистора устанавливают ниже пробойного значения с учетом уровня освещенности окружающей среды, чтобы не превысить допустимой мощности рассеивания [32].

Частотная характеристика чувствительности фотоприемника S(f) является зависимостью чувствительности фотоприемника от частоты модуляции светового потока. С повышением частоты модуляции светового потока чувствительность фотоэлемента падает. Чувствительность фоторезисторов на основе CdS при частоте модуляции 1000Гц составляет 30% от максимальной. Сернисто-свинцовые фоторезисторы обладают такой чувствительностью при частоте модуляции светового потока в 10 кГц. Еще шире частотная характеристика чувствительности у селенисто-свинцовых фотоприемников [32].

Инерционность фоторезисторов зависит от нескольких факторов. Влияние этих факторов различно на собственные временные характеристики фоторезисторов по нарастанию и по спаду. При t=20°С, освещенности в 200 лк и  короткозамкнутом включении фоторезистора собственная постоянная времени по нарастанию больше аналогичной величины по спаду. При увеличении освещенности постоянные времени уменьшаются, причем с большей скоростью изменяется время нарастания.  В среднем величины постоянных времени меняются на порядок в интервале декад освещенности [32].

Зависимость временной постоянной от проводимости фоторезистора G_ф определяется выражением

τ = Bg_ф^-m,

где B и m — постоянные, значения которых  зависят от типа фоторезистора.

При увеличении сопротивления нагрузки фоторезисторов с некоторого значения заметен значительный рост постоянной времени по спаду фототока и уменьшение постоянной времени по нарастанию. Для фоторезисторов на основе CdS и CdSe эти изменения проявляются начиная с нагрузок в 5...10 кОм [32].

Пороговая чувствительность фоторезисторов, т. е. минимальный лучистый поток определяется уровнем собственных шумов. Источниками шумов являются фоточувствительный элемент и площадь контакта с электродами. Уровень шумов прямо пропорционален прикладываемому напряжению, за исключением участка, приближенному к предельному насыщению. Спектр шума имеет распределение, определяемое как 1/f. На частотах выше 400 Гц уровень шума резисторов CdS и CdSe обратно пропорционален квадрату частоты [32].

Основные достоинства, которые определяют сферу применения фоторезисторов таковы: наибольшая среди фотоприемников чувствительность, линейная вольт-амперная характеристика, а так же возможность передачи двухполярных сигналов.

Главный недостаток фоторезисторов —  инерционность. Данный параметр является решающим для разрабатываемого устройства. т. к. в ТЗ указано, что разрабатываемый прибор должен измерять не только освещенность, но и пульсацию светового потока, необходимо обращать особое внимание на инерционность фоточувствительных элементов. В среднем у выпускаемых промышленностью фоторезисторов заявленные собственные временные постоянные имеют значения в интервале 0,02...0,08 с. Это значит, что с их помощью можно корректно произвести измерение освещенности при частоте модуляции в пределах 12...50 Гц, в то время, как коэффициент пульсации освещенности на рабочих поверхностях при питании источников света током частотой менее 300 Гц не должен превышать значений, указанных в СНиП 23-05-95. Коэффициент пульсации не нормируется при частоте питания 300 Гц и более.

• 4.2. Фотодиоды

Фотодиод по своей конструкции  представляет собой смещенный в  обратном направлении p-n-переход. При  отстутствии освещения, так же как  и в фоторезисторе, в подключенном фотодиоде протекает темновой ток. Он обусловлен неосновными носителями. При увеличении светового потока падающего света ток возрастает, что вызвано генерацией пар дырка-электрон [34].

Фотодиод, в отличие от фоторезистора, не обладает внутренним усилителем фототока, он является слаботочным прибором и обладает высоким сопротивлением. Поэтому обычно он применяется совместно с усилительными элементами. На Рисунке 3 показана типичная схема включения фотодиода, где в качестве буферного усилителя используется операционный усилитель [32].

 

 

 

 

 

 

 

Фотодиод может работать в фотодиодном и в фотогальваническом режимах.

В фотодиодном режиме p-n-переход  фотодиода смещается в обратном направлении под действием приложенного напряжения. Величина смещения зависит  от типа фотодиода и варьируется  в пределах от единиц до сотен вольт. От величины смещения зависит быстродействие прибора, а так же величина протекающих через него токов. Недостатком фотодиодного режима является тот факт, что при увеличении обратных токов (с увеличением падающего светового потока) увеличивается уровень шумов, в то время как уровень полезного сигнала остается постоянным и не возрастает. В этом режиме фотодиод имеет меньшую собственную постоянную времени [35].

В фотогальваническом режиме диод выступает  в роли источника ЭДС с большим  внутренним сопротивлением. Это является неоспоримым плюсом для разрабатываемого устройства, т. к. учитывая тот факт, что устройство должно быть автономным, и, соответственно, питание осуществляется от собственных гальванических элементов, отсутствие напряжения на датчике освещенности во-первых существенно продлевает срок эксплуатации от одного источника, и во-вторых — увеличивает круг выбора датчиков, подходящих для применения в разработке, т. к. рабочее напряжение большинства фотодиодов составляет десятки вольт. Фотогальванический режим позволяет применять их, не прикладывая к ним никакого напряжения [35].

Идеальный фотодиод обладает спектральной характеристикой чувствительности в виде прямой линии. Это верно  вследствие того, что фототок пропорционален потоку фотонов падающего светового потока, количество которых пропорционально длине волны излучения. Но из-за того, что идеальная спектральная характеристика чувствительности не учитывает зависимость от длины волны коэффициента собирания носителей, коэффициента поглощения и квантовой эффективности полупроводника, реальная характеристика нелинейна и пролегает ниже идеальной [35].