CC BY
45Исследование характеристики фотодиода для разработки оптоэлектронного многопараметрового фотоколориметра
Н.Р. Рахимов, Е.Ю. Кутенкова, А.Н. Серьезное, О.К. Ушаков
Оптоэлектронные колориметры
(фотоколориметры) применяются в различных областях народного хозяйства для непрерывного или дискретного контроля физико-химических параметров веществ и материалов в металлургической, химической, пищевой промышленности, на предприятиях водоснабжения и в сельском хозяйстве. Самое широкое использование фотоколориметры получили в медицине для анализа биопрепаратов в биологических жидкостях и для контроля за состоянием человека.
Фотоэлектрические колориметры
(фотоколориметры) обеспечивают большую точность измерений, чем визуальные; в качестве приёмников излучения в них используются фотоэлементы (селеновые и вакуумные), фотоэлектронные умножители,
фотосопротивления и фотодиоды. Сила фототока приемников определяется
интенсивностью падающего на них света и, следовательно, степенью его поглощения в растворе (тем большей, чем выше концентрация). Помимо фотоэлектрического колориметра (фотоколориметра) с
непосредственным отсчетом силы тока, распространены компенсационные
колориметры, в которых разность сигналов, соответствующих стандартному и измеряемому растворам, сводится к нулю (компенсируется) электрическим или оптическим компенсатором (например, клином фотометрическим); отсчет в этом случае снимается со шкалы компенсатора. Компенсация позволяет свести к минимуму влияние условий измерений (температуры, нестабильности свойств элементов
колориметра) на их точность. Показания колориметра не дают сразу значений концентрации исследуемого вещества в растворе — для перехода к ним используют градуировочные графики, полученные при измерении растворов с известными концентрациями.
Главной частью традиционного
фотоколориметра, определяющей
энергопотребление, надежность и
массогабаритные показатели является оптический блок на основе ламп накаливания, который практически во всех фотометрических приборах имеет конструктивную защиту от влияния условий внешней освещенности.
Эксплуатация таких приборов сопряжена с неудобством эксплуатации и, соответственно, с существенными затратами времени при проведении массовых измерений. Отсутствие математического описания для кювет такого типа ограничивает их применение и заставляет использовать приближенную фотометрическую компенсацию ошибки измерения. Однако, данные фотоколориметры имеют низкую чувствительность и сложность конструкции, неточность за счет несовершенства кюветы и кюветодержателя, когда для каждого последующего анализа необходимо извлекать кювету из прибора, заполнять её очередной пробой, мыть и протирать оптические поверхности кювет от потеков исследуемой жидкости. [1]
Разработка принципиально нового автоматического малогабаритного
оптоэлектронного фотоколориметра [2, 3, 4] на основе оптрона открытого канала и переход от конструктивных средств защиты оптического канала к схемотехническим позволит кардинально уменьшить массу и габариты прибора повысить его надежность, автоматизировать контроль и увеличить срок службы. В связи с этим особую значимость приобретает разработка электронной измерительной части прибора, позволяющей эффективно работать в условиях меняющейся внешней освещенности.
Для проведения данных исследований необходимо использовать кюветы специальной формы, например, в виде линзы-шара или линзы-цилиндра. Отсутствие математического описания для кювет такого типа ограничивает их применение и заставляет использовать приближенную фотометрическую компенсацию ошибки измерения.
Многие измерения проводятся в области длин волн, далеко отстоящих от максимума спектральной чувствительности приемника оптического излучения (ПОИ), поэтому актуальность приобретают исследования их световой характеристики в области малых фототоков, что позволит повысить метрологические характеристики прибора. Особую актуальность данная задача приобретает для измерения концентраций растворов в широком диапазоне оптических плотностей, что позволит охватить весь спектр
исследовании, в основе которых лежит фотоколориметрический метод измерения.
Применение в оптическом канале предлагаемого фотоколориметра светодиода в качестве источника светового потока и измерение концентраций растворов в широком диапазоне оптической плотности связано с необходимостью работать в области малых световых потоков на начальном участке световой характеристики фотоприемника. Кроме того, большое количество фотоколориметрических исследований
приходится на область длин волн видимого спектра, тогда как максимум чувствительности фотодиодов лежит в инфракрасной области, что приводит к уменьшению полезного сигнала и необходимости работать с малыми фототоками.
Предлагается методика, использующая неэталонный источник излучения с постоянным световым потоком и необходимой длиной волны, выступающий в качестве относительной единицы измерения падающего на фотоприемник излучения. При этом измеряется реакция фотоприемника на постоянный световой поток при кратных ему уровнях фоновой засветки. Предлагается, по сути, способ задания оптической рабочей точки фотоприемника, позволяющий с
фиксированным шагом изменять падающий на него световой поток без использования градуированного источника. Процесс построения статической характеристики является итеративным и поясняется рисунком 1.
отключается и замещается источником потока смещения Фсм, создающим фототок, равный величине ¡¡, в результате рабочая точка фотоприемника перемещается вправо по оси светового потока на величину Ф0. Возобновление потока Ф0 вызывает появление уже суммарного фототока 11 +12. Далее источник Фсм замещает удвоенный поток Ф0. и создает фототок, равный данной сумме токов и т.д.
Таким образом, по оси абсцисс последовательно откладываются значения светового потока, кратные величине Ф0 Это позволяет равномерно двигаться по оси светового потока с шагом Ф0., независимо от характера и степени нелинейности световой характеристики фотоприемника. Каждая точка статической характеристики 1(Фсм ) на I - шаге может быть определена из следующего выражения
I = ]Г{*-(/ Фо) -*-([/ - 1]-фо)}, (1) 1
где ^ - характеристика чувствительности фотоприемника, Фсм световой поток смещения, г - номер шага.
Прямая 20 является аппроксимацией линейного участка характеристики, а точка А0 -верхней границей нелинейной зоны по оси светового потока. Величина Ф0, выбирается такой, чтобы на нелинейном участке (отрезок о -А0) выполнялось максимальное число итераций.
Таким образом, были исследованы различные типы фотодиодов и определено аналитическое описание световой
характеристики фотодиодов в области малых фототоков следующего вида
I(ф)-С1 ф + С2 • (еф/т-1).
(2)
Величины С], С2, т - константы, соответствующие конкретному виду фотодиода.
Для уменьшения ошибки измерения от нелинейности световой характеристики фотоприемника предложены два варианта поправки по уровню засветки Фз, при этом линейная поправка имеет вид
Аь = к • Ф3 + Ь.
(3)
Рисунок 1 - Способ измерения световой характеристики фотоприемника
На первом шаге на фотоприемник воздействует постоянный световой поток Ф0 который создает на его выходе фототок величиной 10 . На следующем шаге источник Ф0
а гиперболическая поправка к
А н = — + Ь .
н Ф,
Здесь к - коэффициент, Ь - константа.
Так на примере экземпляра фотодиода типа ФДК-155 в результате введения линейной поправки максимальная ошибка от нелинейности может быть уменьшена в 13.2 раза, а введение гиперболической поправки позволяет уменьшить эту ошибку в 45 раз.
Еще одним вариантом уменьшения погрешности измерения является способ, при котором рабочая точка фотоприемника фиксируется отдельным контуром обратной связи по уровню внешней засветки при помощи дополнительного источника потока смещения. Это позволяет задать и стабилизировать рабочую точку фотоприемника на линейном участке и. соответственно, устранить влияние нелинейности его световой характеристики при изменении условий внешней освещенности.
Показано, что наиболее эффективным вариантом измерительного усилителя, предназначенного для работы с открытым оптическим каналом, является усилитель фототока с автоматической коррекцией нулевого уровня и токовой компенсацией сигнала засветки фотоприемника.
Функциональная схема такого усилителя приведена на рисунке 3.
Она содержит преобразователь фототока в напряжение (ОУ1), масштабирующий усилитель (ОУ2), устройство интегрирования - хранения (ОУ3), аналоговый ключ (К1), устройство выборки - хранения (УВХ), ключ (К2), элементы
(Кб, С4), фильтр низких частот
(ФНЧ) (элементы К7, С 5). Сигналы управления ключами и светодиодом УБ1 формируются устройством управления. Временные диаграммы работы усилителя приведены на рисунке 3. Период дискретизации усилителя равен Тц (рабочий цикл), время формируемого светодиодом УБ1 светового импульса составляет 0.2Тц, такт выборки УВХ -0.1 Тц, такт коррекции нулевого уровня - О. бТц.
В режиме коррекции нулевого уровня усилителя, когда светодиод УО1 обесточен, фотодиод УО2 генерирует ток, равный сумме темнового тока и фототока, определяемого величиной фоновой засветки. Тогда для входной цепи ОУ1 справедливо равенство
4 • [ехр(%) -1] + 1з = % + 1вх + 1о
и
(5)
где - ток насыщения обратносмешанного перехода фотодиода,
иФД - падение напряжения на фотодиоде,
равное напряжению смещения операционного усилителя ОУ1;
Рисунок 3 - Функциональная . - - температурный потенциал;
- ток фотодиода, пропорциональный величине фоновой засветки;
- выходное напряжение интегратора; входной ток ОУ];
■ ток обратной связи ОУ].
Суммарный ток фотодиода преобразуется в напряжение и усиливается, что приводит к появлению на выходе ОУ2 ненулевого потенциала, который при замыкании ключа К] поступает на вход интегратора ОУЗ. При этом замыкается петля отрицательной обратной связи, в результате по окончании переходных процессов выходной сигнал интегратора достигает величины, при которой напряжение на выходе ОУ2 оказывается равным нулю с точностью до напряжения смещения ОУЗ. В данном случае имеет место токовая компенсация, действующая в суммирующую точку ОУ].
По истечении времени коррекции ключ К] размыкает петлю обратной связи, интегратор переходит в режим хранения, поддерживая при этом установившуюся величину тока компенсации до очередной выборки. В момент
схема усилителя фототока
размыкания ключа К] включается источник излучения, а сигнал на выходе ОУ2 будет определяться только величиной светового потока светодиода.
Ключ К] замыкается через 0.2Тц после выключения светодиода, что позволяет уменьшить возмущение в контуре коррекции в начальный момент времени, связанное с переходным процессом в усилителе при отключении светодиода.
Открывание ключа К2 происходит с задержкой 0.1Тц, необходимой для запоминания в УВХ уже установившегося значения выходного напряжения ОУ2.
Соединенные последовательно УВХ и ФНЧ представляют собой импульсный элемент с интерполятором нулевого порядка,
предназначенные для восстановления амплитуды полезного сигнала из модулированной последовательности.
На последней диаграмме (выход ОУ2) приведена форма реального импульса на выходе усилителя. В условиях действующей, медленно изменяющейся помехи, вершина импульса лежит на ее огибающей.
Рисунок 8 - Временные диаграммы работы усилителя
Наличие двух каскадов в усилителе позволяет за счет перераспределения усиления между ними уменьшить сопротивление обратной связи К1 в преобразователе фототока и. следовательно, сопротивление нагрузки фотодиода. При этом снижается влияние сопротивления К1 на точность измерения и увеличивается быстродействие цепи фотодиода.
Светодиод включается со скважностью 0.2, что при среднем токе 10 мА позволяет увеличить его светоотдачу в пять раз. При этом возрастает отношение полезного сигнала к сигналу фоновой засветки и становится возможным уменьшить общий коэффициент передачи усилителя, а значит повысить его помехозащищенность.
Точность работы контура коррекции полностью определяется температурной и временной стабильностью нуля ОУЗ в интеграторе, начальное смещение которого компенсируется с помощью потенциометра
Главным преимуществом усилителя с токовой компенсацией является возможность варьировать в
самых широких пределах диапазон компенсации фоновой засветки и темнового тока, который задается максимальным выходным напряжением ОУЗ в интеграторе и сопротивлением резистора К2.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Неразрушающий контроль: справочник: В 7т./под общ.ред. В.В. Клюева. Т. 6: Магнитные методы контроля, Оптическийконтроль, Радиоволновый контроль / И.Н. Ермолов. - М.: Машиностроение, 2004.
[2] Рахимов, Б.Н. Оптоэлектронный автоматический колориметр/Б.Н. Рахимов, О.К. Ушаков, Е.Ю. Кутенкова, Т.В. Ларина//Приборы и техника эксперимента, 2011. - № 5. - С. 161 - 162.
[3] Заявка № 2011153209 Российская федерация. Оптоэлектронный многопараметровый колориметр/Б.Н. Рахимов и др.; Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирская государственная геодезическая академия»
