*Тпйх iy1 й X

ности ФП. Интегральная чувствительность зависит, как это видно из рис. 12-10, от степени перекрытий функций спектральной чувствительности ФП у^ и спектраль­ной плотности Р^ лучистого потока:

А/

^sp=Tp = m • (12-6)

Фотоприемники, предназначенные для работы в видимой области спектра, характеризуются интегральной световой чувствительностью 5ф — Д//АФ в микро­амперах на люмен, которая может быть рассчитана по формуле (12-6), если ее знаме­натель заменить выражением (12-1). Интегральные чувствительности, приводимые в паспортных данных, определены при использовании стандартных источников. При использовании источников излучения, отличных от стандартных, интегральная чувствительность должна быть пересчитана.

Чувствительность ПФ зависит от конкретной схемы включения ФП, поэтому употребляются понятия «чувствительность по напряжению» и «чувствительность по току».

Вольт-амперная характеристика определяет зависимость фототока от напряже­ния питания, приложенного к ПФ при постоянном значении светового потока.

Световая характеристика — зависимость фототока от значения светового потока неизменного спектрального состава — характеризует нелинейность ФП.

Постоянная времени определяет быстродействие ФП и возможность измерения световых потоков переменной интенсивности. Порог чувствительности характеризу­ется минимальным значением потока излучения, который вызывает на выходе фото­приемника си гнал, в заданное число (т) раз превышающий уровень шума. Поскольку уровень шума задается обычно на выходе ФП как дисперсия Um, порог чувствитель­ности определяется формулой АР = /?? |/"«ш

Верхний предел измерения ограничен наличием эффекта усталости светочув­ствительного слоя, зависящего как от значения светового потока, так и от времени его действия и вызывающего уменьшение чувствительности и смещение спектральной характеристики ФП. Эффект усталости ограничивает максимально допустимые осве­щенности или максимально допустимые выходные токи фотоприемников.

Температура окружающей среды влияет на значения флуктуациоиных помех, темнового тока и чувствительности ФП, и для некоторых типов ФП, в особенности подверженных действию температуры (фоторезисторы), в паспорте приводятся и тем­пературные характеристики.

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом — это вакуумные и газонаполненные фотоэлементы и фотоумножители. Принцип действия этих фотоэлементов заключается в том, что кванты света, достигая поверхности фотокатода, выбивают электроны, которые увлекаются внешним электрическим полем и создают фототок.

Электрон может покинуть катод, лишь если энергия фотона больше работы выхо­да, т. е. heIX А, где h — постоянная Планка. Значение А зависит от химической природы и состояния поверхности. Таким образом, для каждого типа фотокатода существует длинноволновая, или красная, граница спектральной чувствительности, определяемая длиной волны = k!(hc).

Спектральные^ характеристики вакуумных газонаполненных фотоэлементов и фотоумножителей целиком определяются свойствами фотокатодов. На рис. 12-11, а

приведены такие характеристики для наиболее распространенных серебря­нок ислородноцезиевого (кривая )), су- рьмяноцезиевого (кривая 2) и миогоще- лочного (кривая 3) фотокатодов.

г		1 0,15лм
г		■ i 0,10мм
/		0,05 лм
'г				Ua

О 50 100 150 200 250

Вакуумные фотоэлементы вы пол- няются в виде сферических стеклян­ных баллонов, на внутреннюю поверх­ность которых наносится слой фоточув­ствительного материала, образующий фотокатод. Анод выполняется в виде

b		0,03 л м			у
		i 0,02 лм		7	/
	0,i	01 лм\		0	г J
			/		/
					Ua

50 100 150 200 250 В Рис. 12-11 _?

кольца или сетки нз никелевой проволоки. На рис. 12-11, б приведены вольт-ампер­ные характеристики вакуумного фотоэлемента.

Преобразование светового потока в ток в вакуумных фотоэлементах практически безынерционно, так как определяется в основном временем фотоэмиссии (около 10~¹² с) и временем пролета электронов (около 10""® с). Однако при использовании фотоэле­ментов приходится ориентироваться на значительно большую инерционность цепи, определяемую внутренним сопротивлением и емкостью фотоэлемента, а также сопро­тивлением и емкостью подключаемых к нему внешних цепей.

При измерении слабых световых потоков необходимо учитывать ток, текущий через фотоэлемент, когда он затемнен. Основными составляющими темпового тока фотоэлемента является ток термоэлектронной эмиссии с катода (около 1СГ¹² А) и ток утечки между электродами (Ю^-10—Ю^-7 А).

Освещенность фотокатода при длительной работе должна быть такой, чтобы ток фотоэмиссии не превышал 1 мкА на 1 см² поверхности катода (Еж 10² лк). Таким образом, выходные токи вакуумных фотоэлементов не превышают нескольких микро­ампер.

Характеристики вакуумных фотоэлементов приведены в табл. 12-6. В спектраль­ном диапазоне указана длина волны, соответствующая максимальной чувствитель­ности.

Газонаполненные фотоэлементы позволяют получать токи, в несколько раз большие токов от вакуумных фотоэлементов. При заполнении фотоэлемента инертными газами Ne, Аг, Кг, Хе фотоэлектроны, движущиеся к аноду, сталкиваются с моле­кулами газа и ионизируют их. В результате от катода к аноду двигается нарастаю­щая лавина электронов, а к катоду — лавина положительно заряженных ионов.

Таблица 12-6

Обозначение фотоэлемента и тип фотокатода	На­пря­жение, В	Инте­гральная чувстви­тельность, мкА/лм	Спектральный диапазон, мкм	Тем- новой ток, мкА	Размеры, мм
					Дли­на L	Диа­метр D
ЦВ-3, кислородноцезие-	240	20	0,4—0,8—1,2	0,1
вый, вакуумный
Ф-5, сурьмяноцезиевый,	30	80	0,4—0,45—0,6	10-4
вакуумный
ЦГ -1, кислородноцезие-	240	75—150	0,4—0,8—1,2	0,1	130	55
вый, газонаполненный
ФЭУ-1, сурьмяноцезиевый	220	600	0,4—0,45—0,6	0,1	124	40
с одним эмиттером
ФЭУ-68, сурьмяноцезие­	1350	50—I О^6	0,3—0,43—0,8	0,01	75	15
вый с десятью эмитте­
рами

Отношение тока, усиленного за счет ионизации, к первичному фототоку называется коэффициентом газового усиления и может достигать 6—7. Соответственно этому чувствительность газовых фотоэлементов составляет 5ф = 100 -f- 250 мкА/лм (табл. 12-6). Из приведенных на рис. 12-LI, в вольт-амперных характеристик следует, что чувствительность газовых фотоэлементов весьма сильно зависит от напряжения питания, которое должно стаби­лизироваться и не превышать 100—240 В, ибо выше этих зна­чений начинается область само­стоятельного разряда.

В газовых фотоэлементах максимальная амплитуда фото­тока достигается лишь через не­которое время после начала ос­вещения (по мере развития газо­вого разряда). Поэтому газовые фотоэлементы применяются для регистрации световых потоков с частотами не выше нескольких сотен герц.

Фотоумножители. В фото­умножителях для усиления пер­вичного фототока используется вторичная электронная эмиссия. Для этого в фотоумножителях (рис. 12-11, г), помимо фотокатода К н анода А, вводятся вторичные катоды (эмиттеры) Э и системы фокусировки электронного пучка. Коэффициент вторичлой эмиссии может состав­лять 2,5—4. Общий коэффициент усиления в многокаскадных фотоумножителях до­стигает сотен тысяч. Выходной ток фотоумножителей может достигать 1 мА.

Явление вторичной электронной эмиссии практически безынерционно, поэтому фотоумножители, как и вакуумные фотоэлементы, могут использоваться для реги­страции весьма быстро протекающих процессов. Параметры некоторых фотоумножите­лей приведены в качестве примера в табл. 12-6.

Рис. 12-12

Фоторезисторы представляют собой однородную полупроводниковую пластинку с контактами, которая при освещении уменьшает свое сопротивление в результате внутреннего фотоэффекта. Спектральные характеристики фоторезисторов представ­лены на рис. 12-12 и определяются свойствами используемых полупроводниковых материалов. Кривая 1 характеризует фоторезисторы из сернистого свинца (тип ФС-А), кривая 2 — из селенида кадмия (тип ФС-Д), кривая 3 — из поликристаллов серни­стого кадмия (тип ФС-К) и кривая 4 — из монокристаллов сернистого кадмия (тип

ФС-КМ). Фоторезисторы характеризуются кратностью изменения сопротивления - под действием света п = темная—200 лк' ^К0Т0Р^ая Д^ля различных типов фоторезисте-⁴ ров лежит в пределах 1,2—10.

Вольт-амперные характеристики фоторезисторов линейны в пределах допусти­мых мощностей рассеяния. Световая характеристика фоторезистора линейна только при малых уровнях светового потока, практически до освещенностей 200—300 лк. Постоянные времени фоторезисторов составляют Ю^-2—10~§ с.

Порог чувствительности фоторезисторов определяется дрейфом тем но во го сопро­тивления и шумами различных видов. Дисперсия теплового и дробового шумов опре­деляется соответственно формулами: ы?епл— 4kTR&f и ыдроб = 2 ei₀R^z&f, где k — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура; Дf — полоса частот; е — заряд электрона; i₀ — среднее значение тока через фоторезистор. Избыточный шум (шум вида \/f) обусловлен неоднородностью структуры материала чувствительного слоя приемника. Дисперсию избыточного шума определяют по формуле ыщ.и = — Ai$R²&f/f_t где А — 10"¹¹ ~ 10~¹²—постоянный коэффициент. Фотонный шум определяется флуктуациями числа фотонов, попадающих на фотоприемник. Общая флуктуация (для Лары тепловой источник — приемник), определяющая дисперсию, равна ДЯф = StkcS&f (7¹* 4* 7^), где е — коэффициент поглощения чувствитель­ного слоя приемника; с — постоянная Стефана — Больцмана; S — площадь чувст­вительного слоя приемника; Т_к, Т_п — абсолютная температура источника и прием­ника соответственно.

Характеристики фоторезисторов (темновое сопротивление, чувствительность, инерционность) сильно зависят от температуры. Темновое сопротивление и чувстви­тельность с ростом температуры уменьшаются, а постоянная времени т увеличи­вается. Для большинства фоторезисторов допустимый температурный диапазон составляет от —60 до +60 °С. Характеристики некоторых фоторезисторов приве­дены в табл. 12-7.

Таблица 12-7

Параметры фоторезисторов	Значение параметров для фоторезисторов типа
	ФСА-1а	ФСК-5	ФСК-7А	СФЗ-1	СФ4-1
Рабочая площадь, мм^2	• 7,5X7,5	1x1	200	0,3 х 1,5	1x1
Напряжение, В	100	50	50—220	15	15
Темновое сопротивле­	10^4—Ю^6	5- 10^6	10^4—10^е	3- 10'	104—106
ние, Ом
Удельная чувствитель­	500	3000	350	10*	6- 10*
ность, мкАДлм • В)
Кратность	12	600	10—300	10*	1,03
Допустимая мощность	0,01	0,05	0,4	0,01	0,01
рассеяния, Вт
Постоянная времени	4 • 10"^5	—	6-10	—	(3 4-5) 10"^с
при затемнении, с
Верхняя граничная	(14-5) 103	100	—	—	3- I0^4
частота, Гц
Длина волны при	2,1	0,64	0,64	3,5	3,5
^S>-max> ^мкм

Следует отметить, что фоторезисторы могут иметь самые разнообразные кон­структивные решения: герметизированные, с жесткими и мягкими выводами, коль­цевой формы и т. д. Конструкция фоторезистора ФСК-I показана на рис. 12-13, а. Представляют интерес дифференциальные фоторезисторы, которые имеют три вывода и могут прямо включаться в дифференциальные измерительные цепи. Дифференциаль­ный фоторезистор типа ФСК-7А изображен на рис. 12-13, б. Позиционно-чувстви- тельные фоторезисторы выполняют роль бесконтактных реохордов и делителей тока, управляемых перемещением светового пятна. Конструкция такого фоторезистора показана на рис. 12-13, в. На диэлектрической подложке нанесены фоторезистивная полоса 1, высокоомный резистивный слой 2 и низкоомный резистивный слой 3, пред­ставляющий собой эквипотенциальный коллектор. Фоторезистор освещается свето­вым зондом 4. Эквивалентная схема фоторезистора показана на рис. 12-13, г, где R — сопротивления отдельных участков резистивного слоя 2\ g_r и g_c — соответст­венно темповая и световая проводимости участков фоторезистора; С — емкость между резистивным слоем 2 и коллектором 3. Схема деления напряжения в предположении, что g._T —> О, С —> 0 и —> оо, показана на рис. 12-13, д. Лучшие фотопотенциометры имеют разрешающую способность 1—IOmk-i.

Фоторезисторы широко применяются в преобразователях перемещений. В этом случае перемещение светового зонда возможно как в направление перпендикуляр­ном электродам (рис. 12-13, е), так и в направлении, параллельном электродам ис. 12-13, о/с). В первом случае проводимость резистора определяется формулой = [1 -h *) (п — 1)]/Дтемн. ^гД^е Ятеми — темновое сопротивление; п — кратность изменения сопротивления при заданной освещенности; г) — h_CCB/h — отношение ширины освещенной части к полной ширине элемента.

Полагая, чао в начальном положении ц = 0,5 и G₀ = [1 + 0,5 (п — 1)]//?_темн» можно найти относительное изменение проводимости AG/G₀ ~ /(е) в зависимости от относительного перемещения е — 2ШН как AG/G₀ = 0,5е (п — 1)/[1 0,5 {п — 1)J. При кратностях изменения сопротивления п > 100 значение AG/G₀ = е, при малых кратностях п = 1,2 имеем AG/G₀ ^ 0,1 е.

При смещении светового пятна параллельно электродам начальное сопротив­ление фоторезистора R₀ при ц = /_0CB/l — 0,5 составляет R₀ = 0,5#_темв (п -г 1 )/п. Относительное изменение сопротивления определяется как ДR/R₀ ~ е (1 — п)/{1+п) и равно &R/R₀ ^ е при п> 100 и ДR/R₀ « 0,09е при п = 1,2.

Измерительные цепи фоторезисторов строятся с использованием как постоян­ного, так и переменного напряжения питания. Допустимое напряжение питания

определяется допустимой мощностью рассеяния и сопротивлением максимально освещенного фоторезистора как U УРдоп^осв- Наиболее распространенной изме-' рительной цепью является мостовая цепь, реже применяется включение фоторезис- .тора в цепь делителя напряжения. При выборе элементов мостовой измерительной цепи следует иметь в виду, что сопротивление или проводимость фоторезистора

меняются очень существенно и измеритель­ная цепь может внести дополнительную не­линейность (см. § 3-2). В состав со времен- ных измерительных цепей включаются опе­рационные усилители. Пример измеритель­ной цепи с операционным усилителем пока­зан на рис. 12-14. Выходное напряжение усилителя U_Bblx = — EGJG₂ пропорциональ­но отношению проводимостей двух фото­резисторов дифференциально го преобразова­теля. При использовании одинарного преоб­разователя и замене фоторезистора 2 резистором R₀ напряжение О_вык = — ER₀G_X пропорционально изменению проводимости фоторезистора 1\ при замене фоторезп- стора 1 резистором R₀ напряжение 1/_вых = — ER₂/R₀ пропорционально измене­нию сопротивления фоторезистора 2.

Рис. 12-15

Фотодиоды (ФД) и фототранзисторы (ФТ) относятся к группе полупроводни­ковых фотоприемников. В фототранзисторе совмещены фотодиод и усилитель фото­тока. ФД могут работать в двух режимах — фотогенераторном (вентильном) и фото­диодном. В фотогенераторном режиме источник внешнего напряжения отсутствует, В фотодиодном режиме к ФД приложено запирающее напряжение. При отсутствии облучения под действием этого напряжения- проходит лишь небольшой темповой ток, а при освещении р-п-перехода ток увеличивается в зависимости от интенсивности

		л		/	л
н	у	л	Y			V
	/	У	х		2-	\
/			\			\
V							X

0,8 1,2 1,6 мкм

На рис. 12-15, а показаны световые характеристики ФД, на рис. 12-15, б — вольт- амперные характеристики ФД, там же проведены прямые, соответствующие нагрузоч­ным характеристикам ФД в генераторном режиме при большом (прямая /) и малом (прямая 2) сопротивлениях нагрузки и в фотодиодном режиме (прямая 3), Из при­веденных характеристик очевидно, что фотодиодный режим характеризуется нали­чием темпового тока, возрастающего при увеличении приложенного напряжения. Напряжение холостого хода U_{x х} в фотогенераторном режиме (рис. 12-15,5) не превышает 0,2—0,5 В (потенциальный барьер) и увеличивается при увеличении освещенности лишь _до значений Е ^ 550 мкВт/мм². Характеристика /_к<3 =» / (£) обладает большей линейностью, ток пропорционален освещенности до значения Е ~ 1500 мкВт/мм³. Линейность характеристик в фотодиодном режиме наблюдается до освещенностей: ^ ^ 10^s 10⁴ лк — для германиевых ФД и Е ^ 1(£ лк — для кремниевых ФД. Характеристики относительной спектральной чувствительности кремниевых (кривая /) и германиевых (кривая 2) ФД приведены на рис. 12-15, е.

Рис. 12-14

Интегральная чувствительность серийно выпускаемых ФД и ФТ определяется в фотодиодном режц_ме при освещении от стандартного источника с цветовой темпе­ратурой Г_цв = 23% К как S - (7_0СВ - /_Теми)/Ф> где (/_осв - /_тенн) - разность между световым и темновым токами. Для кремниевых ФД порог чувствительности может достигать 10^13—₁₀~i4 Вт-Гц"⁰-⁵, для германиевых Ю"¹² Вт-Пг*». Для реали­

зации низких порогов входные сопротивления усилителей, используемых с ФД .должны быть в диапазоне 5—50 МОм [11].

Инерционность ФД определяется временем пролета носителей (10-8— ]o~^fl с) и постоянной времени RC-цепи, образованной емкостью р-я-перехода и последова­тельно включенной с ней суммой сопротивлений собственно ФД и нагрузки R Емкость р-п-перехода для фотодиодов со­ставляет в зависимости от площади пере­хода 10—100 пФ и уменьшается с уве­личением обратного напряжения, при­ложенного к переходу. При напряжениях U л* 10 В и сопротивлениях нагрузки, не превышающих 10—100 кОм, частотный диапазон может достигать 0,1—1 МГц. Специальные ФД имеют частотный диа­пазон до Ю⁸—10⁹ Гц.

б)

мнА 50 40 30 20 10

мкА -1,0

-0,1

Ire	1 мн
		/
	У	/
	/		©

0 20 40 60 X

/ —0,01

©

-80-40 0 40 80 °С

Характеристики ФД зависят от тем­пературы. Для кремниевых ФД в генера­торном режиме напряжение U_{x х} падает Ри 12 16 с уменьшением температуры примерно па ^с' 2,5 мВ/К, ток У_к.з увеличивается, отно­сительное изменение тока составляет около 3-Ю³К~*. При повышении.температу­ры минимум спектральной чувствительности смещается в сторону длинноволново­го излучения, монохроматическая чувствительность увеличивается на 0,002 К"¹. Очень сильно зависит от температуры темповой ток, увеличиваясь при повышении тем­пературы от 20 до 60 °С в сотнн раз. На рис. 12-16 приведены зависимости темновых то­ков от температуры для кремниевых (рис. 12-16, а) и германиевых (рис. 12-16, б) ФД.

Характеристики некоторых ФД и ФТ приведены в табл. 12-8.

Таблица 12-8

Тип фотопри­емника	Пло­щадь чувстви­тельной поверх­ности, мм^2	Рабочее напря­жение. В	Инте­граль­ная чувстви' тель- ность, мА/лм	Тем но­вой ток, мкА	Постоянная времени, с
ФД-1	5	15	20	30	5-
ФД-2	1	30	20	25	5- Ю-*?
ФД-3	2	10	15	10	5 • 10-в
ФД-5Г	5	15	25	1	(3 -S- 5) 10~б
ФД-6К	2	20	7	5	(3 -S- 5) 10-е
ФД-7К	78	27	2,5	10	10^
ФД-9К	19,6	10	3	1	Ю-?
1690	2	20	4	1	—
1691	2	0	0,7	1	3. Ю-^6
ФТ-1К	2	5	70	1	—
ФТК-3	3	5	1000	3	10-4

Схемы включения фотодиодов показаны на рис. 12-17. В фотодиодном режиме ФД может рассматриваться как резистор и включается в схемы делителей (рис. 12-17, а) или мостовые измерительные цепи (рис. 12-17, б), позволяющие в известной степени уменьшить влияние дрейфа темнового тока (см. §3-2). ФД по напряжению питания хорошо согласуются с полупроводниковыми электронными элементами, поэтому ис­пользуются обычно в схемах совместно с операционными усилителями. На рис. 12-17, в показана схема включения ФД, работающего в фотогенераторном режиме. Благодаря тому что входное сопротивление усилителя (Я_пх — R_0mJkо) не превышаег 10 Ом. ФД работает в режиме, близком к короткому замыканию (прямая 2 на рис. 12-15, б) и обладает достаточно линейной характеристикой. Использование низкоомной на»

грузки позволяет также увеличить быстродействие фотодиода за счет снижения' постоянной времени г = 7?_нСф_Д.

Рис. 12-17

о) б)

Ro.C

%

®

g utu

Фотоварикапы. Принцип действия фотоварикапа основан на изменении емкости р-п-перехода при действии потока оптического излучения. Емкость р-п-перехода для кремниевых фото варикапов составляет 30 пФ/мм^а, относительное изменение емкости на единицу потока равно 5,7 мВт"*. Фотовари­капы из арсенида галлия имеют удельную емкость до 500 пФ/мм² и светочу ветви тельность 240 мВт^-1.

Оптроны представляют собой комбинацию ми­ниатюрного источника света и приемника излучения. Между элементами оптронной пары отсутствует элект­рическая связь, а преобразование входного сигнала в выходной происходит по схеме: электрический сигнал— оптический сигнал — электрический сигнал. На рис. 12-18 приведена конструкция оптрона. Излучение све тодиода 1 фокусируется отражателем 2 на поверхности фотоприемника 3. Прост ранство между светодиодом и фотоприемником залито прозрачным компаундом. Оп троны получили широкое применение как элементы схем измерительных приборов позволяющие осуществить гальваническую развязку цепей.

12-4. ОСНОВНЫЕ СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ ОПТОЭЛЕКТРИЧЕС1СИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

\Х₂

Рис. 12-19

ТХ,

Обобщенная структурная схема оптоэлектрического преобразо­вателя (рис. 12-19) содержит источник излучения, оптический канал, приемник излучения и измерительную цепь. Измеряемая величина X воздействует непосредст­венно на источник излуче­ния, изменяя параметры

Источник	фf	Оптический	Ф2	Приемник
излучения		канал		излучения

излучаемого потока Ф_г или на оптический канал, модулируя соответствую­щий параметр потока в процессе распространения

Рис. 12-18

излучения. Чаще всего под действием измеряемой величины изменя­ется интенсивность лучистого потока, например вследствие измене­ния температуры излучателя, пропускания, поглощения или рассея­ния оптического канала, однако могут изменяться также фазовый сдвиг между электромагнитными колебаниями в двух лучах, вызывае­мый разностью оптического хода этих лучей, и частота и длина волны излучения, генерируемого источником [4],

Соответственно структурные схемы оптоэлектрических преобра­зователей могут быть разделены на три группы: схемы измерения интенсивности излучения, схемы измерения сдвига фаз и угла пово­рота плоскости колебаний и схемы измерения частоты и длины волны электромагнитных колебаний оптического диапазона.

Непосредственное измерение частоты колебаний и угла сдвига между колебаниями оптического диапазона затруднено из-за отсут­ствия фотоприемников и электронных схем, быстродействие которых соответствует частотам 10^н — 10¹⁷ Гц. Схемы измерения частоты и фазы колебаний строятся в подавляющем большинстве случаев с предварительным преобразованием в интенсивность излучения или гетеродинным преобразованием частоты. Преобразования по­добного рода требуют наличия источника когерентных колебаний, поэтому электрооптические преобразователи, в которых используется преобразование измеряемой величины X в угол сдвига, получили развитие только в последние годы, ког­да появилась возможность широкого использования ла­зеров.

Структуры оптоэлектриче­ских преобразователей интен­сивности излучения. В этих преобразователях использу­ются три алгоритма работы: а) измерение потока Ф_х; б) измерение отношения потоков Ф₂/Ф₂, где в качестве одного из потоков, напри­мер Ф_а, обычно используется образцовый (эталонный) поток Ф₉; в) измерение разности потоков Ф₂ — Ф₂, где Ф₂ = Ф_л-, Ф₂ = Ф_э или Ф_г = Фю + АФ и Ф₂ = Ф₂₀ — АФ.

В качестве примера преобразователя, измеряющего непосред­ственно поток Ф_Х1 на рис. 12-20 показано схематическое устройство автоматического экспонометра для кинокамеры. Световой поток Ф_Л, проходя объектив / и диафрагму 2 и отражаясь от зеркального об­тюратора З_у попадает на фоторезистор В в отрезок времени, когда не происходит экспонирования пленки 5. Исполнительным механиз­мом служит измерительный механизм ИМ логометра, обмотка 6 подключена к источнику питания через резистор R, а обмотка 7 — через фоторезистор В. Обмотки 6 и 7 создают встречные вращающие моменты, поворачивающие рамку, соединенную с диафрагмой 2. Движение диафрагмы 2 происходит до тех пор, пока сопротивле­ние фоторезистора В не станет равным сопротивлению резистора R, которое используется для установки параметров экспозиции. В ка­честве фотоприемника применяются сернистокадмневые, селенидно- кадмиевые и сульфидно-кадмиевые фоторезисторы, отличающиеся высокой чувствительностью, малыми габаритами и дешевизной.

№ ₆ у^Л

J 5

ч—й-

Рнс. 12-20

Фотоэлектрические преобразователи широко используются для измерения перемещений. Особенно высокой чувствительностью обла­

дают преобразователи с растрами. Геометрические структуры эле­ментов, образующих растр, весьма разнообразны. Устройство пре­образователя с плоскими параллельными растрами показано на рис. 12-21, а. Между источником света и приемником располага­ются два растра, один из которых неподвижен, а второй перемеща­ется. Сопряжение двух растров позволяет получить картину иду-

Рис. 12-21

ги_г

щих поперек штрихов светлых и темных полос, называемых комбина­ционными или муаровыми полосами. Высокая чувствительность к перемещению получается за счет того, что перемещение муаровых полос А У оказывается во много раз больше перемещения растра АХ. В частности, при сопряжении двух параллельных растров, развер­нутых под некоторым малым углом а, получается комбинация свет­лых и темных полос, в преувеличенном виде показанная на рис. 12-21,6.

Рис. 12-22

Коэффициент оптической ре­дукции Кр_ед = ДУ/ДХ такого сопряжения при равных ша­гах растров w_t = w₂ = w ра­вен /<ре_Д = 1 /sin а.

Измерительные цепи, поз­воляющие реализовать второй и третий алгоритмы, т. е. из­мерение отношения и разно­сти световых потоков, были показаны выше на рис. 12-14 и 12-17. Однако особенность

оптоэлектрических преобразователей заключается в том, что при со­временной технологии изготовления фотоприемников трудно подо­брать пару фотоприемников, обладающих совершенно идентичными характеристиками не только при начальных условиях, но и под дей­ствием всех влияющих факторов. Неидентичность характеристик, как известно (см. § 3-2), сводит на нет преимущества дифференциаль­ного и логометрического включений преобразователей, позволяющих существенно повысить точность измерения при использовании пре­образователей с идентичными характеристиками., Д_ля того чтобы избежать этого недостатка, в оптоэлектрических Преобразователях используются структуры с одним фотоприемником и временным раз­

делением поступающих на него потоков. Измерительная схема по­добного преобразования показана на рис. 12-22. Пучок света источ­ника 1 при помощи зеркал 2 разделяется на два потока Ф₀ и Ф*. Интенсивность потока Ф* зависит от измеряемой величины (напри­мер, прозрачности объекта 5). С помощью модулятора осуществля­ется периодическое освещение фоторезистора ФП измеряемым Ф* и опорным Ф₀ потоками. Синхронно с движением шторки Шт пере­ключается ключ К, с помощью которого на вход интегратора {ФП, конденсатор С, усилитель Ус) через фоторезистор ФП подается ток от положительного и отрицательного полюсов источника напряже­

ния Е. При этом ток, пропорциональный измеряемому потоку, за­ряжает конденсатор С, а ток, пропорциональный опорному потоку, — разряжает его. В конце второго такта модуляции на выходе интегра­тора устанавливается напряжение U, которое измеряется указате­лем У/с. Напряжение U = Е (G₀- — С*) / (С/_Кл), где G₀ = 5Ф₀ и Q_x — — проводимости фоторезистора при освещении потоками Ф₀ и Ф_х соответственно; 5 — чувствительность фоторезистора; /_кд — частота переключения ключа.

На рис. 12-23, а показано схематическое устройство прибора бесконтактного контроля диаметра проволоки. Световой поток, соз­даваемый источником делится диафрагмой 2 с двумя отвер­стиями на два луча. Верхний луч частично перекрывается проволо­кой 3, нижний луч проходит через оптический клин 6. Матовая пла­стинка 4 рассеивает свет, чтобы облучение фотоприемника ФП было равномерным. Заслонка 7 колеблется между сдвинутыми отвер­стиями диафрагмы, модулируя световой поток на входе ФП. Если интенсивности верхнего и нижнего лучей не равны (рнс. 12-23, б),

на выходе ФП появляется переменная составляющая напряжения, управляющая двигателем Д. Двигатель перемещает клин 6 до урав­нивания интенсивностей лучей. Выходной величиной прибора слу­жит угол поворота двигателя, отсчитываемый по шкале 5.