CC BY
77
ч.
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ
УДК 621.383
В. А. ЗАХАРЕНКО А. Г. ШКАЕВ
Омский государственный технический университет
ТЕХНОЛОГИЯ СТАБИЛИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ
Представлены методы и средства стабилизации основных параметров приемников и источников излучения оптико-электронных измерительных приборов. Приводятся примеры построения стабильных приемников и источников оптического излучения. Ключевые слова: термостабилизация, термостатирование, оптико-электронный, источник, приемник.
При разработке оптико-электронной измерительной аппаратуры различного назначения и ее метрологического обеспечения наиболее актуальной задачей япляется создание стабильных приемникоп и источников оптического излучения. Существенной проблемой реализации как источников так и приемников излучения япляется температурная и временная нестабильность их основных параметров. В настоящее время в качестве приемников оптическою излучения в оптико-электронных измерительных приборах широко применяются фотодиоды. Фотоприемники на основе фотодиодов, обладая рядом преимуществ перед другими тинами чувствительных к оптическому излучению элементов, имеют значительные зависимости порога чувствительности, темпового
тока, интегральной и спектральной чувствительностей, постоянной времени от температуры. В качестве источников оптического излучения применяют различные лазеры, светодиоды и лампы накаливания. Эти приборы также обладают значительной температурной зависимостью интенсивности и частоты излучения, временной нестабильностью, что затрудняет их применение в прецизионных оптико-электронных устройствах.
Для обеспечения заданной погрешности измерений в фотодиодных приемниках излучений применяют различные методы стабилизации их основных параметров. К таким методам можно отнести: построение многоканальных оптических схем, термостабилизация и термокомпенсация приемников и т.д.
В зависимости от условий эксплуатации и необходимой точности измерений применяют тот или иной метод. Наиболее радикальным способом стабилизации основных параметров фотодиодов, как и других фоточувствительных элементов, получившим на се-годнн широкое распространение, является гермоста-тирование. В [ 11 описана конструкция и характеристики устройства, обеспечивающего погрешность измерения интенсивностилучистогопотокаоколоО, 1 %. Принцип работы этого типа устройств заключается в поддержании температуры фоточувствительного элемента постоянной, при этом обеспечивается стабильность интегральной и спектральной чувствительностей. Обычно такие схемы основаны на применении датчика температуры, что приводит к появлению градиентов температуры между фотоприемником и датчиком температуры, которые вызывают дополнительную погрешность в работе термостата.
Для уменьшения погрешностей гермостабилиза-ции нами предлагается в термостатах фотодиодных приемников излучения использовать в качестве датчика температуры сам кристалл фоточувствитель-ного элемента |2). Такое решение позволило создать фотоприемник с температурной пофешностыо диапазоне эксплуатационных температур — 30... + 60 °С не более 0,01 %.
Разработанное нами устройство термостабилизации представляет собой пропорциональный регулятор, в котором температура термостата поддерживается на заданном уровне либо за счет выделения тепла электронагревательным элементом в соответствии с законом Джоуля-Ленца, либо за счет поглощения тепла элемен тами Пельтье. При этом датчиком температуры в электронной схеме пропорционального регулятора является сам полупроводниковый кристалл фотодиода, падение напряжения на котором при протекании тока в прямом направлении изменяется в зависимости от температуры кристалла.
Функциональная схема термостатирования фотоприемника предложенным способом приведена на рис. 1. Схема работает следующим образом. В исходном состоянии фотодиод2 переключателем 5 подключают к источнику опорного тока 10. Через фотодиод 2 начинает протекать ток в прямом направлении, при этом пропорциональное темпера туре фоточув-ствительного кристалла падение напряжения на фотодиоде 2 усиливается усилителем б, запоминается элементом памяти 7 и подается на вход операционного усилителя 8, на котором оно сравнивается со значением напряжения от задатчика температуры 9 и в зависимости от величины разбаланса, при помощи исполнительною элемента 1, производится нагрев или охлаждение фотодиода 2 до температуры термоста тирования, которая в дальнейшем поддерживается на этом уровне. Во время отключения переключателем 5 фотодиода 2 от источника опорного тока 10, фотодиод переключается в фотогальванический режим. При этом усилитель 6 усиливает сигнал пропорциональный величине лучистого потока Ф, прошедшего через окно 4 термостата 3, а элемент памяти 7 хранит информацию о температуре фоточувствительного элемента, измеренную в момент замыкания переключателя 5, до следующего подключения фотодиода 2 к источнику опорного тока 10. При этом напряжение, пропорциональное мощности регистрируемою излучения снимается с выхода операционною усилителя б, включенного по схеме преобразователя напряжения п ток и обеспечивающего режим коро ткого замыкания фотодиода. Работой ключа 5 и элемента памя ти 7 управляет устройс тво управления 11.
Рис. I. Функциональная схема термостатированного фотоприемника:
1 - исполнительный элемент; 2 - фотодиод; 3 - термостат; ■I - окно термостата; 5 - переключатель; в — усилитель;
7 - элемент памяти; 8 - операционный усилитель;
9 - задатчик температуры; 10 - источник опорного тока;
11 - устройство управления
Представленное техническое решение не только уменьшает погрешность термостатирования, но и упрощает конструкцию термостата за счет исключения датчика температуры, а также учитывает изменение температуры как окружающей среды, так и вызванное разогревом чувствительного элемента под действием регистрируемого лучистого потока. Эго особенно актуально при решении задач метрологического обеспечения при работе с большими мощностями оптических излучений в лазерной технике и в высокотемпературной пирометрии.
Применение компенсационных методов целесообразно из соображений уменьшения потребляемой мощности и габари тов фотоприемных устройств в сравнении с термостатированием, что востребованно в переносных и автономных устройствах. В этих приборах, для реализации схем термокомпенсации интегральной чувствительности фотодиодов [3], также применим принцип использования в качестве датчика температуры кристалла чувствительного элемента фотодиода.
Функциональная схема устройства, реализующего метод термокомпенсации, приведена на рис. 2. Устройство работает по следующему алгоритму. В исходном состоянии фотодиод 1 ключом 2 подключен к генератору измерительного тока 4, а ключ 3 разомкнут. Через фотодиод 1 начинает протекать ток в прямом направлении, при этом пропорциональное температуре падение напряжения на фотодиоде 1 через повторитель напряжения 5 подается на устройство выборки-хранения 6, которым считывается, запоминается и масштабируется в напряжение, пропорциональное температурному коэффициенту чувствительности фотодиода. С выхода устройства выборки-хранения напряжение подается на вход блока деления 7. Одновременно с воздействием на фотодиод 1 импульса излучения на устройство управления ключами 8 поступает импульс запуска, который приводит к отключению ключа 2 и включает ключ 3, которым выход повторителя напряжения 5 подключается ко второму входу блока деления 7. При этом па блок деления одновременно поступают сигналы, пропорциональные фототоку и температуре фотодиода 1. Деление напряжения, пропорциональ-
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ МСТНИК ** 1 «7> 2010
Ф
Рис. 2. Функциональная схема термокомпенсированного фотоприемника:
I - фотодиод; 2, 3 - ключи;
4 - генератор измерительного тока;
5 - повторитель напряжения;
6 - устройство выборки-хранения; 7 - блок деления; 8 - устройство управления ключами
ного фототоку, на напряжение, иропорционалыюс температурному коэффициенту чувствительности фотодиода позволяет обеспечить неизменную чувствительность фотодиода при изменении его температуры.
Таким образом, компенсационное воздействие можно осуществлять за время, соизмеримое с постоянной времени фотодиода, что позволяет учитывать разогрев кристалла фотодетектора, вызванный падающим на него излучением, и уменьшить погрешность фотоприемного устройства, обусловленную зависимостью интегральной чувствительностью фотодиода от температуры.
Стабильный фотодиодный приемник оптического излучения, выполненный поодной из представленных функциональных схем, позволяет достаточно просто обеспечить стабилизацию лучистого потока любого из источников оптического излучения (ламп накаливания, светодиодов, лазеров) путем применения стопроцентной оптической отрицательной обратной связи.
Функциональная схема устройства, реализующего этот метод стабилизации лучистого потока, представлена на рис. 3. Схема работает следующим образом. Источник оптического излучения 1 и термостабильный приемник 2 оптически связаны. Напряжение пропорциональное лучистому потоку Фос источника сравнивается в блоке сравнения 3 с опорным сигналом от источника опорного напряжения 4. В зависимости от величины рассогласования, регулятор тока 5 измсняетток, протекающий через излучатель таким образом, что лучистый поток источника оптического излучения остается неизменным.
Как видно из структурной схемы источника оптического излучения, стабильность излучаемого потока Ф будет зависеть от стабильности параметров термостабильного приемника излучения и точности работы схемы блока сравнения. Следует отметить, что, поскольку временная нестабильность фотодиода на I - 2 порядка выше, чем у источников излучения, предс тавленное техническое решение обеспечивает и стабилизацию лучистых потоков источников во времени [4].
Рис. 3. Стабилизированный источник оптического излучения:
1 - источник оптического излучения;
2 - тормостабильный приемник;
3 - блок сравнения; ■! - источник опорного напряжения; 5 - регулятор тока
На базе представленных технических решений нами разработаны оптико-электронные измерительные приборы контроля запыленности выбросов промышленных предприятий [5] и фотометрический анализатор моторных и гидравлических масел [6|. Данные разработки внедрен!,I на омских ТЭЦ-4 и ТЭЦ-5.
Библиографический список
1. Бака кии. Г.В. Широкоапертурнын прецизионный фото-приемник / Г.В. Бакакин, В.Г. Мелодии, И.В. Наумов // Приборы и техника эксперимента. — 1999. - № 1. - С. 101 - 104.
2. Пет. 2210099 Российская Федерация. МПК 7 С 05 О 23/30. С 01.1 Ь/08. Устройегвотермостатирования фотоприемника //В.А. Захаренко. А.Г. Шкаев; заявитель Омский государственный технический университет. - 2001116288/09 ;заявл. 13.06.2001; опубл. 10.08.2003, Бюл. N0 22. - 4 С.: ИЛ
3. Пат.2194252 Ки Российская Федерация, МПК7С01Л 1/44. Импульсное фотометрическое устройство N В.А. Захаренко. А.Г. Шкаев ; заявитель Омский государственный технический университет. - 2001111187/28;заявл. 23.04.2001. опубл. 10.01.2002. Бюл. Ко 22. — 6 с.: ил.
4. Шкаев. А.Г. Стабилизация лучистого потока ламп накаливания/ А.Г. Шкаев // Молодые ученые на рубеже третьего тыся челетия: мат. науч. молодежнойконф. — Омск :ОмГПУ, 2001. -С. 124-126.
5. Захаренко, В.А. Оптоэлектронный датчик пылегазовы-бросои / В.А. Захаренко. А.Г. Шкаев. Р.Н. СаЙфутдинов // Датчики и системы. — 2003. — № 12. — С. 27 —31.
6. Захаренко. В.А. Фотометрический анализатор моторных и гидравлических масел / В.А. Захаренко, А.Г. Шкаев // Проб лемы создания и эксплуатации автомобилей, специальных и технологических маптип в условиях Сибири и Крайнего Севера: мат. 43-й Междунар. нуач.-техн. конф. — Омск: ЛЕО. 2004. - С. 244 -245.
ЗАХАРЕНКО Владимир Андреевич, кандидаттехни-ЧЄСких наук, доцент, профессор кафедры «Технология электронной аппаратуры».
Адрес для переписки: e-mail: [email protected] ШКАЕВ Александр Геннадьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология электронной аппаратуры».
Адрес для переписки: e-mail: [email protected]
Статья поступила в редакцию 20.11.2009 г.
© В. А. Захаренко, А- Г. Шкаев
