Расчет основных параметров приемников оптического излучения для создания оптрона открытого канала Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРИЕМНИКОВ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ОПТРОНА ОТКРЫТОГО КАНАЛА

Неъматжон Рахимович Рахимов

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Сибирская государственная геодезическая академия», 630108, Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор кафедры специальных устройств и технологий, телефон +7(383)344 40 58, факс +7(383)344 40 58, е-mail: [email protected]

Татьяна Вячеславовна Ларина

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Сибирская государственная геодезическая академия», г. Новосибирск; 630108, ул. Плахотного, 10, доцент кафедры технологии оптического

производства, телефон +7(383)344-40-58, факс +7(383)344-40-58, E-mail: [email protected], е-mail: [email protected]

Иномжон Абдусалимович Сатволдиев

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Сибирская государственная геодезическая академия», г. Новосибирск; 630108, ул. Плахотного, 10, магистр техники технологий, соискатель кафедры специальных устройств и технологии, телефон +7(383)344 40 58, факс +7(383)344 40 58, е-mail: [email protected]

В статье рассмотрен расчет основных параметров приемников оптического излучения для создания оптрона открытого канала.

Ключевые слова: источники и приемники оптического излучения, оптрон открытого канала.

CALCULATION OF OPTICAL DETECTORS BASIC PARAMETERS FOR OPEN-CHANNEL OPTRON DEVELOPMENT

Neymatjohn R. Rakhimov

Ph.D., Prof., department of special devices and technologies, Siberian State Academy of Geodesy, 10 Plakhotnogo st., 630108, Novosibirsk, phone: +7(383)344-40-58, fax +7(383)344-40-58, e-mail: [email protected]

Tatyana V. Larina

Assoc.Prof., department of optical production technology, Siberian State Academy of Geodesy, 10 Plakhotnogo st., 630108, Novosibirsk, phone: +7(383)344-40-58, fax: +7(383)344-40-58, e-mail: [email protected]

InomjohnA. Satvoldiyev

MS, department of special devices and technologies, Siberian State Academy of Geodesy, 10 Plakhotnogo st., 630108, Novosibirsk, phone: +7(383)344-40-58, fax +7(383)344-40-58, e-mail: [email protected]

Calculation of optical detectors basic parameters for the open-channel optron development is considered.

Известно, что приемник оптического излучения (ПОИ) - это датчик, предназначенный для преобразования энергии оптического излучения в электрический сигнал. Одним из основных этапов при разработке оптоэлектронных первичных преобразователей - оптронов открытого канала является выбор ПОИ - фоторезисторов, фотодиодов, фототиристоров, фототранзисторов, АФН-приемников и т. д. [1].

Коэффициент использования излучения источника приемником оптического излучения:

I-

<РеАЛ (ЩЛ

ту _ О

К _ р ’ (1)

]РеЛХ)М

о

где феі(^) - относительное спектральное распределение потока излучения источника; Sотн (X) - относительная спектральная характеристика

чувствительности ПОИ.

Связь интегральной чувствительности ПОИ к потоку излучения со спектральной [2]:

Оинт _ ,тахК (2)

где $х,тах - максимальная спектральная чувствительность ПОИ к потоку излучения.

Максимальная спектральная чувствительность кремниевых фотоэлектрических полупроводников ПОИ к потоку излучения может быть выражена формулой:

О _ ^пгах ' Хт А

Х,пах _ 1,234 , Вт ’ (3)

где птах - квантовая эффективность на длине волны Хт [1]; Хт = длина волны, на которой спектральная чувствительность ПОИ, максимальна, мкм.

Относительная спектральная чувствительность ПОИ [1]выражается формулой:

^.отн ^.абс / ^.тах (4)

где SX.абс - абсолютная спектральная чувствительность ПОИ;

$^.тах - относительная спектральная чувствительность ПОИ .

Порог чувствительности ПОИ, в заданной полосе частот, составляет [2]:

^отн(Л) иш

Ф.. =

^1 / инт .инт (5)

где иш - ток и напряжение шума.

Пересчитать интегральную чувствительность и пороговый поток кремниевого фотодиода ФД - 24К из световой фотометрической величины (ФМВ) в энергетическую по паспортному источнику типа ”А” (ЧТ с температурой 2856 К).

По справочным данным для фотодиода ФД - 24К определяем:

«а / лм = А * 1А-3

ли

1. Интегральную чувствительность SV.Lинт = 6 мА / лм = 6 * 10" А / лм;

2. Пороговый поток Фуп = 5 * 10" лм / (Гц)

По формуле (2) пересчитаем интегральную чувствительность фотодиода в энергетических ФМВ:

^ 9 А

5, = ^ = 6-10“3 • 683 • 2,5-10“2 = 0,102---

(6)

е.І .инт. V./.инт тах Г т-,

Вт

где по [3] определяем кг = 2,5 * 10"2 для ЧТ с температурой ТЧТ = 2856 К .

В свою очередь пересчитаем пороговый поток фотодиода:

^ ^ 1 5-10“8 о т-9 Вт

Ф = Ф ---------=------------« 3 40 9 (7)

е.п У-п 683 • к 683 • 2,5 -10-2 ^ГЦ ‘ (/)

Ответ: интегральная чувствительность фотодиода ФД - 24К равна Se.I.инт = 0,102 А / Вт , а его пороговый поток равен Фе п ~ 3 * 10"9 Вт / (Гц)1/2 .

При использовании оптоэлектронных первичных измерительных преобразователей (ПИП) - оптронов открытого канала (СИД и ПОИ) в безлинзовых оптоэлектронных схемах в качестве источника анализирующего излучения выбранный полупроводниковый ПОИ должен удовлетворять следующим условиям:

а) Максимальное спектральное согласование по чувствительности спектров излучения;

б) Высокое быстродействие и интегральная чувствительность;

в) Приём ПОИ до 95 % доли излучения после взаимодействия излучения с контролируемым объектом (КО).

Первое условие обеспечивается выбором полупроводникового материала для ПОИ, спектральная характеристика которого максимально перекрывает спектры излучения СИД.

Спектральная чувствительность определяется, как отношение выходного сигнала ПОИ (напряжение dU или ток dI) к вызвавшему это изменение монохроматическому потоку:

аи аі _

8^=—— или 5^= —. (8)

а®х <1ФХ

Второе условие сводится к выбору ПОИ по времени, которое в три -

четыре раза меньше длительности импульса излучения.

Интегральная чувствительность SU или SI - отношение изменения выходного сигнала ПОИ к вызвавшему это изменение интегральному (немонохроматическому) потоку излучения dФe или световому потоку dФv от СИД с определённым спектральным составом:

Би = — или Бі = —. (9)

и аФ 1 аФ

ПОИ, работающие в видимой части спектра, калибруют по лампам накаливания: источники типа «А» (цветовая температура Тц = 2856 К), типа

«В» (Тц = 4800 К) или «С» (Тц = 6500 К) [3]. ПОИ со спектральной чувствительностью в ближней ИК-области (чаще всего неохлаждаемые), калибруют по черному телу с температурой Т = 573 К. Охлаждаемые ПОИ предназначенные для работы в ближней и средней ИК-области, калибруют по черному телу с температурой Т = 373 К. В зависимости от инерционности ПОИ при его калибровке применяют различные частоты модуляции потока излучения.

Для выполнения третьего условия, прежде всего, необходимы сведения о законе распределения излучения СИД после взаимодействия с контролируемым объектом.

Закон распределения излучения после взаимодействия с контролируемым объектом проще определить экспериментально. Для этого была разработана экспериментальная установка, позволяющая определять распределения излучения СИД после взаимодействия с КО (рис. 1 и 2).

Рис. 1. Электрическая схема экспериментальной установки Рис. 2. Структурная схема установки

На рис. 3, а показан график распределения прошедших потоков через КО, на рис. 3, б - график распределения прошедших потоков без КО.

Из рис. 2 видно, что с уменьшением у - расстояния между СИД и ПОИ увеличивается величина фотоэлектрического сигнала, т. е. расчетный суммарный световой поток, и меньшая часть не попадает на ПОИ.

Рис. 3. График распределения прошедших потоков а) через КО (кювета с

нефтепродуктами), б) без КО

Если считать, что источник излучения - СИД является точечным, то регистрируемый на расстоянии х от оси симметрии световой поток может быть описан зависимостью:

ктд/у2 +х2

ф = Ф°е2 у2 , (10) у2 + х2

где: Ф0 - поток излучение СИД проходящие через КО; к - коэффициент поглощения; т - масса вещества.

Коэффициент к может принимать любые значения и не влияет на характер распространения излучения после прохождения через материал. То же самое относится к массе. Распределение излучения зависит от геометрических параметров и структуры контролируемого материала. Видно, что на измеряемом участке материал распределен равномерно. Для разработки измерительных ПИП следует определить какими размерами должна обладать светочувствительная поверхность ПОИ, чтобы на ее поверхность падало 95 % всего прошедшего светового потока. Для упрощения примем, что кт = 1.

Если светочувствительная поверхность является кругом (что справедливо для большинства ПОИ) с радиусом R и ее центр расположен на одной оси с точечным источником излучения, то воспринимаемый световой поток может быть выражен интегралом.

х7^оф е-л/у2+х2/у

ф= Г2лЯФ°°е 2---------ах (11)

0 у +х

Примем у = 1 и в этих единицах, определим радиус светочувствительной поверхности фотоприемника.

X -т/ х2 +1

Ф = 2жЯфЛ----;--^ (12)

0 х +1

Это выражение сводится к интегральному логарифму и не может быть подсчитано непосредственно. Значение интеграла было определено численным методом на ЭВМ для х = 1, 2, 3, 4, при этом Ф1 = 0,106, Ф2 = 0,184, Ф3 = 0,21; Ф4

3 4

= 0,216. Значения интегралов | и | отличается менее чем на 4 %.

0 0

Следовательно, радиус светочувствительной поверхности фотоприемника должен в 3 - 4 раза превышать толщину просвечиваемого материала

Я = (3 ■* 4) • у; Б = 2ж-(3 ■* 4) • у2 (13)

Таким образом, если радиус ПОИ в 3 - 4 раза превышает толщину просвечиваемого материала, то на светочувствительную поверхность попадает практически весь световой поток, прошедший через КО.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1 Рахимов, Н.Р. Оптоэлектронные средства неразрушающего контроля физикохимических параметров жидких сред / Н.Р. Рахимов, А.М. Касымохунова, Ш. Усманов // Техническая диагностика и неразрушающий контроль - Киев, 2001. - № 3. - С. 40 - 42.

2 Рахимов, Н.Р. Выбор и модель приемника оптического излучения для многофункциональной системы оптоэлектронных первичных преобразователей / Н.Р. Рахимов, С.А. Холматов // ФерПИ. - 2003. - № 3. - С. 70 - 74.

3 Аксененко М. Д., Бараночников М. JI Приемники оптического излучения. Справочник. — М.: Радио и связь, 1987. — 296 е., ил.

© Н.Р. Рахимов, Т.В. Ларина, И.А. Сатволдиев, 2012