49. Измерительные цепи для приемников оптических излучений на фотодиодах и фототранзисторах.

В качестве измерительных цепей фотодиодных приемников, работающих в фотоэлектрическом режиме, используются преобразователи ток – напряжение, выполненные на операционных усилителях.

Типичные схемы для преобразователя ток – напряжение:

Большой собственный коэфф. усиления ОУ приводит к тому, что инвертируемый вход является виртуальной землей, поэтому протекающий через резистор R_oc (рис. а) ток равен току входа I_sh . => выходное напряжение определяется соотношением U_вых= - R_oc I_sh .

Для ограничения высококачественных шумов дополнительного и предотвращения самовозбуждения ОУ можно параллельно ему включить компрессор С_доп (10нФ…100пФ).

Погрешности схемы, связанные с входными токами, можно уменьш. включая дополнительный резистор, равный R_oc, между инвертирующим входом и землей.

При работе фотодиода в фотопроводящем режиме на него подается обратное напряжение смещения. Это ведет к расширению обедненной зоны, снижению емкости перехода, формированию линейной зависимости фототока от интенсивности излучения в широком диапазоне частот. Однако при увелич. обратного смещения возрастает дробовой шум. На рис показана рабочая схема усилителя сигнала фотодиода.

Фотопроводящий режим работы фотодиода - нагрузочная характеристика

Обратное смещение фотодиода сдвигает нагрузочную линию в третий квадрант, где линейность вольтамперной характеристики выше, чем при работе в фотоэлектрическом режиме. Линия нагрузки пересекает ось напряжений в точке, соответствующей напряжению смещения Е, а ее наклон обратно пропорционален коэффициенту усиления ОУ без ОС. Верхний предел полосы пропускания фотодиода в фотопроводящем режиме достигает сотен мегагерц, что сопровождается увелич. отношения сигнал/шум.

46. Проволочные чувствительные элементы (термометры сопротивления).

Устройство соответствующих преобразователей проиллюстрирован рис.

Устройство датчика термоанемометра, служащего для измерения скорости газового потока, показано на рис а. Нить 1 нагревается до 200-800С протекающим по ней током и одновременно охлаждается обдувающим ее газовым потоком. Если эффект сноса теплоты превосходит другие охлаждающие факторы, то уравнение теплового баланса может быть представлено в виде . Поскольку коэффициент теплоотдачи является функцией скорости, то из приведенного уравнения следует, что в режиме заданного токаI = const температура нити является функцией скорости, а в режиме заданной температуры=const требуемое изменение тока I будет функцией скорости . В датчике, показанном на рис а, нить выполнена из платиновой проволоки (диаметр 5-20 мкм, длина 2-10 мм), сопротивление которой меняется с температурой, и припаяна к двум манганиновым стерженькам 2. Сквозь ручку 3 пропущены выводы 4 для включения датчика в измерительную цепь.

На рис б дано принципиальное устройство преобразователя газоанализатора. Платиновая проволока 1, подогреваемая протекающим по ней током до температуры =100…200С, натянута по оси камеры. В камеру через канал поступает с очень малой скоростью исследуемая газовая смесь. Размеры камеры и проволоки и скорость протекания газа выбраны таким образом, чтобы можно было пренебречь всеми тепловыми потерями, кроме тепловых потерь в результате теплопроводности окружающей среды. Тогда уравнение может быть представлено в виде . Коэффициент теплопроводности газа зависит от состава газа, и, следовательно, при токеI=const температура проволоки и ее сопротивление зависят от состава газа. В частности, для смеси воздуха с углекислым газом теплопроводность которого меньше теплопроводности воздуха, температура нити будет тем выше, чем больше концентрация углекислого газа.

На рис в представлено принципиальное устройство сигнализатора уровня. Датчик представляет собой платиновую нить 2 диаметром 25 мкм и длиной 2 мм, закрепленную между двумя держателями 1 и спущенную на заданную глубину. В воздухе нить нагревается пропускаемым по ней током до 250 С. При соприкосновении с жидкостью теплоотдача с нити увеличивается и температура и сопротивление нити резко уменьшаются.

На рис г показан принцип действия вакуумметра. В герметичной колбе помещены нагреватель 2 и термопара 1, измеряющая температуру нагревателя. Колба присоединяется к полости, вакуум в которой измеряется. Через нагреватель пропускается ток. В диапазоне давлений 1-10^-4 Па теплопроводность газа уменьшается с уменьшением давления, поэтому при заданном токе температура нагревателя будет тем выше, чем выше вакуум.

Переходный процесс нагревания или охлаждения тела описывается уравнением теплового баланса:

I²R-G^’_θ(θ-θ_a)-G_θ(θ-θ_cp)-ξ·S(θ-θ_cp)-C_n·S·[(θ/100)⁴-(θ_ст·100)⁴]-m·c·dθ/dtd=0

Если пренебречь потерями на излучение, то из уравнения видно, что тепловой преобразователь является апериодическим преобразователем с постоянной времени , где- суммарный коэффициент теплопередачи, определяемый теплопроводностью и конвекцией. Необходимо обратить внимание на то, что постоянная времени теплового преобразователя зависит от условий охлаждения и будет различной для одного и того же преобразователя, находящегося в воздухе и в жидкости, в спокойной жидкости и в движущейся жидкости и т. д. Чем больше_, тем быстрее протекает переходный процесс. При больших _ и малых постоянных времени Т необходимо учитывать стадию дорегулярного режима, которой при описании переходного процесса обычно можно пренебречь. В этом случае для оценки переходного процесса нельзя пользоваться уравнением и нужно прибегать к специальной литературе. В стадии регулярного теплового режима температура преобразователя в операторной форме определяется уравнением

θ(p)=[I²·R=G^’_θθ_a+G^’_θθ_cp+ξSθ_cp]/[(G^’_θ+G_θ+ξS)·([1+(m·C)/(G+G+ξS)·p])]

Переходный процесс в преобразователе при внезапном скачкообразном изменении температуры на величину _ср описывается уравнением где ₀ - начальная температура преобразователя.

В большинстве случаев при описании переходного процесса пренебрегают статической погрешностью из-за наличия теплопроводности через преобразователь G^’_θ и выражают переходный процесс уравнением θ=θ₀+Δθ_cpe^-t/T, где Δθ=Δθ_cp·e^-t/T.

Переходный процесс при внезапном изменении одного из коэффициентов теплоотдачи, например при изменении  вследствие изменения скорости движения окружающей среды, описывается уравнением: θ=θ_θ+[(Δξ·S·θ_cp)/(G^’_θ+G_θ(ξ+Δξ)·S)]·Δθ_cp·e^-t/T, где T^’=mc/(G^’_θ+G_θ(ξ+Δξ)·S)