3.3.5.7 Фотоэлектрические преобразователи

Действие фотоэлектрических преобразователей основано на преобразовании информации, содержащейся в видимом свете или излечении соседних длин волн – ультрафиолетовом и инфракрасном – в электрические сигналы.

Можно выделить три типа преобразователей:

- преобразователи с внешним фотоэффектом;

- преобразователи с внутренним фотоэффектом;

- фотогальванические преобразователи.

К преобразователям с внешним фотоэффектом относятся вакуумные и газонаполненные фотоэлементы и фотоумножители.

Вакуумные фотоэлементы представляют собой стеклянную колбу со встроенными анодом и фотокатодом, из которой откачан воздух. При освещении фотокатода под влиянием фотонов света происходит эмиссия электронов. Если между анодом и фотокатодом приложено электрическое напряжение, то возникает электрический ток (фототок). Величина фототока определяется интенсивностью света, падающего на фотокатод. Материалы фотокатода (двойные щелочи на основе калия и цезия, натрия и калия) определяют чувствительность прибора и длины волн, на которые он реагирует (от 200 до 700 нм).

Газонаполненные фотоэлементы заполнены инертными газами (неоном, аргоном, криптоном, ксеноном). Благодаря ионизации газа происходит усиление тока фотоэмиссии и, как следствие, увеличение чувствительности (до 100 – 250 мкА / лм). Чувствительность сильно зависит от напряжения питания, следовательно, напряжение питания должно стабилизироваться и не превышать значений й00 – 240 В, так как при больших напряжениях начинается область самостоятельного разряда.

В газонаполненных фотоэлементах максимальная амплитуда фототока достигается лишь через некоторое время после начала освещения (по мере развития газового разряда), следовательно, их возможно применять на частотах, не превышающих нескольких сотен герц.

Фотоэлектронные умножители (ФЭУ) представляют собой вакуумный фотоэлемент, снабженный системой электродов для усиления тока фотоэмиссии за счет использования вторичной фотоэмиссии. Коэффициент усиления может достигать 100000. Используются для определения очень низких уровней освещенности.

Фотогальванические ИП – это фотоэлектронные приборы с p-n-переходом: фотодиоды и фототранзисторы.

Фотодиод представляет собой обычный диод в корпусе, в котором имеется окошко, позволяющее свету попадать в полупроводниковое соединение. Схема включения фотодиода в электрическую цепь представлена на рисунке 2.16.

Рисунок 2.16 – Схема включения фотодиода в электрическую цепь

Ток, протекающий через фотодиод, прямо пропорционален интенсивности света. Выходной сигнал снимается в виде разности потенциалов на резисторе, включенном последовательно с диодом.

3.3.5.8 Гальванические преобразователи

Действие гальванических ИП основано на зависимости потенциала электрода от концентрации ионов в растворе. Преобразователь состоит из двух полуэлементов, заполненных электролитом и соединенных с помощью гальванического ключа, представляющего собой трубку с KCl, закрытую с двух сторон полупроницаемыми пробками.. Один полуэлемент заполнен электролитом с известной концентрацией, а другой – электролитом, концентрация которого измеряется. Металлические электроды, погруженные в раствор электролита, частично в нем растворяются, и положительные ионы металла переходят в раствор, а электрод получает положительный заряд. При равновесии электрический потенциал электрода зависит от концентрации ионов в растворе и может служить для определения их концентрации. ЭДС на выходе преобразователя определяется неизвестной концентрацией.

Гальванические ИП применяются в химической, нефтяной, пищевой промышленности при измерении концентраций ионов в растворах, газах, при измерении влажности.