Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
диплома / lucki1-7.doc
Скачиваний:
8
Добавлен:
09.02.2016
Размер:
2.44 Mб
Скачать

1 АНАЛІЗ ЗАСОБІВ І СИСТЕМ ВИМІРЮВАННЯ СИГНАЛІВ ФОТОДІОДІВ

1.1 Узагальнена структура засобів і систем вимірювання ультрафіолетового випромінювання

Аналіз структур засобів та інформаційно-вимірювальних систем ультрафіолетового випромінювання широкого вжитку, що випускаються різними фірмами показав, що вони в основному мають подібні структури та відрізняються використанням різних компонентів та різним їх виконанням. Отримана в результаті аналізу узагальнена структурна схема таких засобів і систем представлена на рисунку 1.1. В її склад входять:

  1. сенсор ультрафіолетового випромінювання, найчастіше генераторного типу. Останнім часом як сенсори ультрафіолетового випромінювання використовують практично виключно фотодіоди, що працюють у фотогенераторному режимі. Цілий ряд фірм випускають такі фотодіоди як для ультрафіолетового випромінювання, так і для інших ділянок спектру;

  2. вимірювальна схема, що створює для фотодіодного сенсора відповідні умови роботи. Такі схеми бувають простими і складними, але переважна більшість створює для фотодіодних сенсорів режим короткого замикання, при якому такий сенсор має найбільш прийнятну спектральну характеристику. При переході, з метою підвищення точності вимірювання, до індивідуальної функції перетворення сенсора найчастіше саме налаштування вимірювальної схеми реалізують цей перехід;

  3. саме засіб вимірювання або вимірювальна система сприймає вихідний сигнал сенсора, перетворений вимірювальною схемою, та виконує функції отримання результату вимірювання, його індикації, корекції, передачі, накопичення. При цьому останнім часом аналогові засоби вимірювання ультрафіолетового випромінювання практично витіснені цифровими засобами на базі як широко вживаних, універсальних, так і спеціалізованих мікроконтролерів. Таке рішення дає змогу спростити схему, перевести апаратні затрати, які є постійними, в затрати на програмне забезпечення, які є разовими.

Рисунок 1.1 - Узагальнена структурна схема засобів і систем вимірювання ультрафіолетового випромінювання

1.2 Огляд відомих засобів і систем вимірювання сигналів фотодіодів

Для виявлення і вимірювання ультрафіолетового (УФ) випромінювання використовують засоби засновані на різних ефектах:

- біологічних;

- хімічних;

- фізичних.

Біологічні засоби - сенсори на основі ДНК, бактерій або навіть клітин ссавців [1], також для УФ вимірювання використовується біологічний матеріал - мікроорганізми, які застосовуються у висушеному вигляді або у вигляді водної суспензії в УФ-прозорій посудині [2]. Відомо і використання бактеріофага Т7 в якості УФ-біосенсорів [3].

Засоби, що використовують хімічні процеси, називатися актинометрами. При цьому вимірюються хімічні зміни, що викликаються випромінюванням. Ці технології зазвичай представлені персональними УФ дозиметрами. Часто для УФ дозиметрів використовується термопластичний полісульфон (thermoplastic polysulfone). В основі цього явища - збільшення поглинання плівкою полісульфону, яка піддавалася впливу УФ випромінювання з довжиною хвилі 250-330 нм (УФ В). Збільшення поглинання, зростає зі збільшенням дози УФ, яке і вимірюють при довжині хвилі 330 нм. На практиці плівку полісульфону (40-50 мкм завтовшки) встановлюють в пластикові тримачі, який і піддається впливу УФ разом з людиною [4].

Прилади, що використовують фізичні принципи для УФ вимірювання, умовно діляться на радіометричні й фотоелектричні. У радіометричних приладах фіксується теплова дія випромінювання. Принцип дії теплових (неселективних) приймачів заснований на тому, що при підвищенні температури змінюється той чи інший параметр матеріалу приймача, наприклад: величина опору - в болометрі; поява термо-ЕРС, тобто напруги на кінцях приймача - в термостовбчиках; в піроелектричних приймачах змінюється величина спонтанної поляризації речовини.

Селективні приймачі випромінювання, до яких відносяться фотоелементи із замикаючим шаром і фотоопором, засновані на ефекті генерації електронів при поглинанні фотонів. Вони мають яскраво представлену залежність від довжини хвилі падаючого випромінювання і велику швидкодію [5].

В загальному, УФ вимірювачі поділяються на:

  1. УФ вимірювачі з відносною спектральною чутливістю близькою за формою до відносної ефективності бактерицидної, ерітемної і загарної дій УФ випромінювання.

  2. УФ вимірювачі з використанням селективного світлофільтрового виділення УФ зон по максимумам відносних ефективностій бактерицидної, ерітемної і загарної дій випромінювання.

  3. Вимірювачі УФ-випромінення, принцип роботи яких заснований на комбінованих вимірах.

Крім того, УФ вимірювачі поділяються на:

Радіометри [6]- загальна назва ряду приладів, призначених для вимірювання енергетичних характеристик того чи іншого випромінювання.

Дозиметри [7]- прилад для вимірювання ефективної дози або потужності іонізуючого випромінювання за деякий проміжок часу.

Сенсором, сенсором (чутливим елементом дозиметра або радіометра), називають елемент потрібний для перетворення явищ, що викликаються іонізуючим випромінюваннями в електричний або інший сигнал, легко доступний для вимірювання.

Значна кількість промислових приладів для вимірювання рівня інтенсивності УФ з заявленими високими технічними параметрами виконана на фотодіодах. Їх типовим представником є УФ-вимірювач потужності випромінювання серії C9536 (рисунок 1.2) зі знімним давачем (сенсорною головкою) H9535 виробництва «Hamamatsu Photonics KK» [8].

Р исунок 1.2 – Зовнішній вигляд вимірювача c9536 зі знімним сенсором h9535 виробництва фірми «Hamamatsu Photonics kk» [8]

Знімна головка сенсора містить акумулятор для УФ-детектування і пам'ять для зберігання даних, що дозволяє проведення дистанційних вимірювань у важкодоступних місцях, наприклад, на стрічковому конвеєрі УФ печі.

Зовнішнє управління відбувається через інтерфейс RS-232C.

Особливістю радіометра C9536 є відсутність оптичного фільтра, що дозволяє стабільно працювати приладу при інтенсивному УФ випромінюванні. Конструктивно також забезпечений широкий кут падіння для випромінювача джерела, навіть без використання спеціальних дифузорів.

У приладі використовуються компоненти, які не піддаються значному старінню через вплив УФ випромінювання. Радіометр C9536 калібрується спільно з сенсором H9535. Точність вимірювань виробником не вказується.

Таблиця 1.1 – Значення параметрів вимірювача C9536 фірми «Hamamatsu Photonics KK»

Параметр

Значення

Спектральна чутливість *:

300 ... 410 нм

Активна площа кристала сенсора:

1 ... 10 мм2

Діапазон вимірювання *:

1 мкВт/см2 ... 10 Вт/см2

Робоча температура *:

0 ... + 60 ° С

Примітка. * В залежності від типу використовуваного сенсора.

Основою сенсорів Hamamatsu є кремнієвий УФ фотодіод S1226 (параметри вказано в таблиці 1.2), виробництва «Hamamatsu Photonics KK» [9], (ціна  50$), з малою чутливістю до інфрачервоної зони випромінювання але відносно великим температурним коефіцієнтом (рисунок 1.3).

Таблиця 1.2 – Кремнієвий УФ фотодіод S1226 серії, виробництва фірми «Hamamatsu Photonics KK» [9]

Параметр

Значення

Активна площа кристала сенсора (мм2):

1,2

Спектральна характеристика (нМ):

190 … 1000

Робоча температура:

- 40 ... +100 °С

Спектральна чутливість А / Вт (200 нм):

0,1 ... 1,12

Темновий струм (А):

2 ∙ 20*10-12

Струм короткого замикання при 25°С, освітленості 1000 люкс і довжині хвилі - 200 нм:

0.5 – 0.66 (32%)

2.2 – 2.9 (25%)

4.4 – 5.9 (25%)

12 – 16 (25%)

Р исунок. 1.3 – Температурна характеристика чутливості фотодіода s1226 до температури

Інший прилад - UVTOUCH радіометр виробництва фірми «Sglux GmbH» [10] має сенсорний екран (Touch screen), функцію дозиметра і даталоггера (Data logger) - пристрій для запису даних у часі або в залежності від місця розташування), передача цифрового сигналу сенсора з використанням інтерфейсу CAN bus, калібрування за індивідуальним замовленням (рисунок 1.4, таблиця 1.3). Можливість використання різних сенсорів виробництва компанії «Sglux GmbH» (силікон карбідних фотосенсорів, стійких до УФ випромінювання, що відрізняються чутливістю і спектральними характеристиками).

Прилад забезпечує зберігання в пам'яті радіометра калібрувальних значень (до 1100000 виміряних значень). Робоча температура приладу 0 - 50 °С.

Рисунок 1.4 – Зовнішній вигляд радіометру UVTOUCH фірми «Sglux GmbH» [10]

У 2014 р на сайті виробника значилася заявлена вартість UVTOUCH радіометра без сенсора - 750 € [10]. UVTOUCH сенсор для UVTOUCH радіометра станом на 2014 рік, мав ціну – 495 €.

Таблиця 1.3 – Параметри сенсора UVTOUCH [11]

Параметр

Значення

Спектральна чутливість:

УФ А, УФ В, УФ С

УФ індекс:

широкосмуговий, та УФ + «Блакитний»

Абсолютна чутливість (в залежності від модифікації):

100нВт/см2 … 1мВт/см2

5мк Вт/см2… 50мВт/см2

1мВт/см2 … 10Вт/см2

Температурний коефіцієнт UVTOUCH сенсора:

<0,1% / К

Перевага цифрового UVTOUCH сенсора в порівнянні з аналоговим сенсором є більший динамічний діапазон – 5, у порівнянні з 3, у випадку аналогового сенсора.

Фірмою «Sglux GmbH» пропонуються фотодіоди, які можуть використовуватися в якості сенсора для УФ вимірювача. Наприклад, силікон карбідний фотодіод, чутливий до ультрафіолету, SG01L-18ISO90 за ціною 111 €, з параметрами, вказаними в таблиці 1.4, та спектральною характеристикою, поданою на рисунку 1.5. .

Через малі значення темнового струму (фемтоампери) цього фотодіоду – існує можливість вимірювання УФ випромінювання з малою величиною інтенсивності. Також з даними силікон-карбідним фотодіодом можливі широкосмугові вимірювання без фільтрів або ж вузькосмугове вимірювання з фільтрами діапазонів випромінювання УФ А, УФ В, УФ С або вимірювання відповідно формі еритемной кривої.

Таблиця 1.4 – Параметри фотодіоду SG01L-18ISO90 [12]

Параметр

Значення

Активна площа кристалу (мм2):

1

Темновий струм (А):

5*10-15

Струм короткого замикання (10 мкВт/см2) випромінювання викликає струм даного фотодіода:

12 нА

Температурний коефіцієнт:

<+ 0,1% / К

Робочий температурний діапазон:

-55 ... +170 °С

Спектральна чутливість:

0,13 А / Вт

Довжина хвилі максимальної. спектральної чутливості:

295 нм

Діапазон чутливості (S = 0,1 Smax):

220 ... 360 нм

Нечутливість до видимого діапазону випромінювання (відношення максимальної чутливості до чутливості при видимому світлі) (Smax / S> 405нм):

1010

Р исунок. 1.5 – Спектральна характеристика SiC фотодіода SG01L-18ISO90

Також існують інші фотодіоди фірми «Sglux GmbH» що виконані на інших основах, таких як GaN та AlGaN [13].

Наступне рішення представлено компанією «Dr. Gröbel UV-Elektronik GmbH »- радіометр RM-22 [14] (рисунок 1.6). Сенсор цього радіометра обладнаний пам'яттю, в якій зберігаються спектральні характеристики даного сенсора, а також дані його калібрування. В середині головки сенсора RM-22 розміщено сенсор температури для вимірювання температури ядра УФ сенсора і відображення цієї температури на екрані радіометра RM-22.

Рисунок. 1.6 – Зовнішній вигляд радіометра RM-22 та сенсорних головок RM-12, компанії «Dr. Gröbel UV-Elektronik GmbH » [14]

Очевидно, що додатковий температурний сенсор дозволяє внести корекцію в результати вимірювання радіометра RM-22 в залежності від температури сенсора. Вимірювальна головка забезпечена інтегрованим дифузором, який служить для косинусних поправок, які необхідні при неперпендикулярному напрямку випромінювання. Сигнал від сенсора подається в радіометр через екранований кабель, що зменшує шуми випромінювання завад.

Також фірма Apogee Instruments пропонує радіометр MU-200 [16] (рисунок 1.7, таблиця 1.6), ціна: 438 $, та сенсор до нього SU-100 [17], ціна: 174 $. Потрібно відмітити що для калібрування даного радіометра можливим є використання сайта (www.clearskycalculator.com) [16], який відображає значення взірцевої освітленості будь де на земній кулі.

Таблиця 1.5 – Основні характеристики сенсорної головки RM-12 [15]

Параметр

Значення

Діапазон вимірів:

200 mW/cm2 (UV-C/A,VISB/BG)

20 mW/cm2 (UV-B)

200 klx (VISL)

Роздільна здатність:

0,1 mW/cm2 (UV-C/A,VISB/BG)

0,01 mW/cm2 (UV-B)

0,1 klx (VISL)

Спектральні діапазони:

UV-C 200 to 280 nm

UV-B 280 to 315 nm

UV-A 315 to 400 nm

VISB 400 to 480 nm

VISBG 400 to 570 nm

VISL V(λ)

Напруга живлення:

9 В батарея

Час роботи від батареї:

до 50 годин

Температура використання:

0 - 40 °C

Таблиця 1.6 – Основні характеристики радіометра MU-200.

Параметр

Значення

Похибка калібрування

± 10 %

Нестабільність вимірів

< 1 %

Нестабільність довгострокова

< 3 % у рік

Нелінійність

< 1 % (до 300 µmol m-2 s-1)

Час відклику

< 1 ms

Поле огляду

180 o

Спектральний діапазон

250 nm - 400 nm

Directional (Cosine) Response

± 10 % при 75o кута

Температурна чутливість

приблизно 0.1 % на oC

Діапазон температури використання

від 0 до 50 oC

Рисунок.1.7 – Зовнішній вигляд радіометр MU-200 [16]

Соседние файлы в папке диплома