|
Реферат: Фотогальванометрический веберметр (Физика)
Санкт-Петербургский
государственный
электротехнический университет
“ЛЭТИ”
Кафедра ИИСТ
Курсовой проект на тему
Фотогальванометрический веберметр
Выполнил:Климченко Ю.А.
Гр.1562
Преподаватель:Бишард Е.Г.
2004г.
Фотогальванометрические приборы для измерения
и регистрации малых токов и
напряжений
Обычные показывающие и регистрирующие приборы не отвечают уровню
современных требований по чувствительности, точности и быстродействию,что
привело к необходимости искать решение проблемы в совершенствовании и при-
менении компенсационных приборов с гальванометрическими и электронными
усилителями.
Наиболее распространены фотогальванометрические компенсационные прибо-
ры(ФГКП), в которых используются гальванометрические усилители с фотоэлект-
рическими преобразователями.
Отечественная промышленность приобрела большой опыт и достигла значитель-
ных успехов в области изготовления ФГКП. Достаточно сказать, что
выпускаются
приборы с ценой деления 1*10-9В (Ф118) и 1*10-11А (Ф128).
Следует отметить, что высокие технические характеристики ФГКП не исклю-
чают наличия у них ряда существенных недостатков, связанных с наличием фото-
электрического преобразователя.
В связи с этим исследуется возможности применения в компенсационных при-
борах гальванометрических усилителей с трансформаторными (индукционными)
преобразователями (самопишущий милливольтметр Н37-1).
Компенсационные приборы с использованием гальванометрических усилителей
не могут применяться в условиях тряски и вибраций , так как они очень
чувстви-
тельны к сотрясениям. В этих случаях используют компенсационные приборы с
электронными усилителями переменного тока.
Структурная схема прибора такого типа (рис.1) содержит модулятор М, усили-
тель У~, фазочувствительный выпрямитель ФЧВ, обратный преобразователь ОП и
выходной прибор – миллиамперметр.
В качестве модуляторов применяются вибропреобразователи и динамические
конденсаторы (при измерениях в высокоомных цепях). Компенсационные приборы
с электронными усилителями восприимчивы к электромагнитным помехам, что ог-
раничивает их точность.
Принцип действия. На рис.2 показана принципиальная схема фотогальваномет-
рического компенсационного микповольтметра.
Наличие напряжения Ех на входе гальванометрический усилитель вызовет
появ-
ление тока в рамке гальванометра, а следовательно, ее вращение. При этом
прои-
зойдет перераспределение освещенности фоторезисторов и в выходной цепи при-
бора появится ток Iвых. Падение напряжения Uк на сопротивлении rк
(Uк=Iвыхrк) стремится скомпенсировать входное напряжения Ex (это
обеспечивается опреде-
ленной полярностью включения гальванометра). Полной компенсации в схеме не
произойдет, так как для поддержания рамки в откланенном состоянии (в против-
ном случае Iвых = 0) в ее цепи должен протекать некоторый ток некомпенсации
Iнк. При достаточно высокой чувствительности гальванометра можно считать,
что
Iнк(0,тогда Eх(Uк=Iвыхrк (().
Как показывает равенство ((), выходной ток Iвых может служить мерой Eх.
Для измерения этого тока используются обычно магнитоэлектрические милли-
или микроамперметры, шкала которых градуируется в единицах напряжения.
Принципиальная схема фотогальванометрического микроамперметра приведена
на рис. 3. В этой схеме в момент компенсации ток Iх’, являющийся частью
измеряе-
мого тока Iх, который составляет определенную часть выходного тока Iвых.
Если предположить, что rГ(r1(r2 и rГ((rх, а чувствительность гальванометра
высокая ((I((), то будут справедливыми равенства
Iк=Iвых[pic]=Iх,
т.е. ток, измеряемый выходным прибором, пропорционален измеряемому току Iх.
В конструкциях ФГКП предусмотрены специальные зажимы для включения ре-
гистрирующего прибора, с помощью которого можно осуществить запись показа-
ний (на рис.2 и рис.3, а эти зажимы обозначены как зажимы для включения
сопро-
тивления нагрузки rн).
Промышленностью выпускаются также фотогальванометрические компенсацион-
ные усилители постоянного тока (Ф115, Ф117 и др.), которые отличаются от
ФГКП отсутствием встроенного выходного прибора (выходным прибором может
служить стандартный показывающий или самопишущий прибор с соответствующим
преде-
лом измерения).
Фотогальванометрический веберметр
На рис. 4 приведена принципиальная схема использования баллистического
галь-
ванометра для измерения магнитного потока. Обозначения на схеме: ИК –
измири-
тельная катушка, БГ – баллистический гальванометр; М – катушка взаимной ин-
дуктивности; А – амперметр.
Если изменить поток, сцепленный с витками (к измерительной катушки ИК,
нап-
ример, от Фх до 0, то на зажимах измерительной катушки возникает э.д.с. ех,
кото-
рая будет уравновешена активным и реактивным падением напряжения в цепи бал-
листического гальванометра; при этом первый наибольший отброс подвижной час-
ти гальванометра будет (1m:
ех=((к
[pic]=ir+L[pic],((()
где (к – число витков измерительной катушки; i – ток в цепи; r –
сопротивление це-
пи гальванометра (сумма сопротивления рамки гальванометра и сопротивления
внешней цепи); L – индуктивность цепи.
Интегрируя левую и правую часть выражения в пределах времени изменения по-
токосцепление и учитывая, что в момент начала и окончания изменения потоко-
сцепления ток равен нулю, получим
(к(Фх=Qr,
где (Фх – изменение потока за указанное время (в нашем случае (Фх=Фх); Q –
ко-
личество электричества, прошедшего в цепи.
Так как (1m=SбQ, то Q=Cб(1m, где Сб – баллистическая постоянная
гальванометра в кулонах на деление; (1m – первый наибольший отброс
подвижной части гальва-
нометра.
Окончательно получаем
(Фх=[pic](1m=[pic](1m,
где Сф=Сбr – постоянная баллистического гальванометра по магнитному потоку
в веберах на деление.
Из этого выражения видно, что постоянная баллистического гальванометра Сф
за-
висит от сопротивления цепи, поэтому определять ее необходимо при том сопро-
тивлении цепи, при котором производится измерение магнитного потока. Кроме
того, так как точность интегрирования импульса зависит от его длительности,
из-
менение потока должно происходить достаточно быстро,чтобы продолжительность
импульса была в 20 – 30 раз меньше периода колебаний подвижной части гальва-
нометра.
Для определения постоянной баллистического гальванометра по магнитному по-
току используют меру магнитного потока в виде двухобмоточной катушки с
извест-
ной взаимной индуктивностью.
При изменении тока в первичной обмотке катушки взаимной индуктивности на
не-
которую величину (( во вторичной ее обмотке, присоединенной к
баллистическому гальванометру (см. рис. 4), произойдет изменение магнитного
потока:
(((((((
где М – коэффициент взаимной индуктивности катушки.
Это изменение потока (( вызовет отброс подвижной части баллистического
галь-
ванометра (1m.
Отсюда интерисующая нас постоянная баллистического гальванометра по
магнит-
ному потоку будет
Сф=[pic], Вб(дел.
Баллистический гальванометр в рассмотренной схеме можно заменить вебермет-
ром.
В магнитоэлектрическом веберметре используется измерительный механизм маг-
нитоэлектрической системы с противодействующим моментом, близким к нулю, и
большим моментом электромагнитного торможения (рамка веберметра замкнута на
измерительную катушку, имеющую обычно малое сопротивление).
Уравнение движения подвижной части веберметра можно записать в следующем
виде:
J[pic]+P2[pic]=Bs(i.
Ток i определяется э.д.с., которая возникает в цепи веберметра при
изменении по-
тока, сцепляющегося с витками измерительной катушкой, подключенной к
зажимам веберметра. Эта э.д.с. определяется выражением ((():
J[pic]+P2[pic]=[pic](ex-L[pic]).
Интегрируя это выражение за время движения подвижной части (от 0 до t) и
учи-
тывая, что в момент времени 0 и t подвижная часть находится в состоянии
покоя, получаем
P2
((([pic]=[pic](Фх(к.
окончательно получим
((([pic]((х([pic]((х ,
где Сф – постоянная веберметра, обычно выражаемая в веберах на деление.
Показания веберметра не зависят от времени магнитного потока (как это
имело место в баллистическом гальванометре) и в некоторых пределах не
зависит от соп-
ротивления внешней цепи (если оно достаточно мало). Так как противодействую-
щий момент прибора равен нулю, то его указатель может занимать произвольное
по-
ложение. При определении магнитного потока ((х берут разность показаний
прибо-
ра ((((2((1, где (2 – конечное показание, (2 – начальное показание.
Для установления указателя на нулевую либо другую удобную отметку шкалы
(например, ею иногда может быть средняя отметка) в приборе используют
электри-
ческий корректор. Он представляет собой катушку, расположенную в поле
постоян-
ного магнита. Если соеденить эту катушку с рамкой веберметра и изменить
поток, сцепляющийся с витками катушки (путем поворота катушки или магнита),
то рамка веберметра отклонится; регулируя положение катушки или магнита,
устанавливают указатель прибора в нужное положение.
Баллистический гальванометр превосходит магнитоэлектрический веберметр по
чувствительности и позволяет изменять магнитные величины с большей
точностью, но является прибором неградуированным и требует определения
постоянной по маг-
нитному потоку Сф в каждом конкретном случае.
Веберметр является переносным прибором, шкала его отградуирована в
единицах магнитного потока, он прост и удобен в работе, его показания в
довольно широких пределах не зависят от сопротивления цепи и времени
изменения потокосцепления.
Основными недостатками его являются относительно низкая чувствительность
и малая точность.
В значительной мере лишен этих недостатков фотогальванометрический
веберметр (ФЭВ).Упрощенная принципиальная схема ФЭВ, поясняющаяпринцип его
действия, приведена на рис.5.
Работает схема следующим образом. Разность э.д.с. ех, возникающей на
зажимах измерительной катушки ИК при изменении потокосцепления, и э.д.с.
ео.с. обратной связи создает ток i, протекающий через обмотку рамки
гальванометра Г с миниатюр
ным зеркальцем на подвижной части. Отклонение подвижной части гальванометра
под действием тока i вызывает перемещение светового пятна по
последовательно включенным фотосопротивлениям ФС1 и ФС2, в результате чего
на входе усилите-
ля У появится сигнал и выходной ток I усилителя скомпенсирует ех через
отрицате-
льную обратную связь при помощи катушки взаимной индуктивности М. Считая в
приближении ех(ео.с. (предпологаем, что применен гальванометр высокой
чувствите-льности к напряжению, и неучитываем э.д.с., индуктированную в
рамке гальвано-
метра при ее движении), получим
(к[pic](M[pic],
т.е. по току I можно судить о потоке Фх.
Ток I можно измерить магнитоэлектрическим прибором, а при необходимости
за-
писать самопишущим прибором или осциллографом. Теоретические и эксперимен-
тальные исследования компенсационного фотоэлектрического веберметра
подтверж-
дают зависимость тока I от потока Фх и показывают возможность осуществления
по-
добного прибора для измерения весьма малых потокосцеплений.
Все рассмотренные приборы измеряют изменение потокосцепления
((((к(((((кs(ИКB((0((кs(ИКH;
B=[pic]; H=[pic].
Некоторые характеристики отечественных приборов:
1( баллистические гальванометры имеют постоянную по магнитному потоку от
0,8 * 10-6 Вб/мм/м (тип М171/12) до 40*10-6 Вб/мм/м (тип М197/1);
2( магнитоэлектрические веберметры имеют пределы измерения от 500мкВб
(тип М199) до 10 м Вб (тип М1119), т.е. постоянная колеблется от 5*10-6
Вб/дел до 100*10-6 Вб/дел.;
3) фотоэлектрические веберметры имеют пределы измерения от 2 мкВб до 500
мкВб (тип Ф190), т.е. постоянная колеблется в пределах от 0,02*10-6 Вб/дел.
до 5*10-6 Вб/дел.
Список литературы
1)“Информационно-измерительная техника” - Бишард Е.Г.,2 изд. М:Высшая
школа 1991
2)”Электрические измерения” – Фремке А.В.
3)”Электромагнитные устройства ИИТ” – Преображенский А.А.
Реферат на тему: Фотоприймачі з внутрішнім підсиленням
Львівський Державний Університет
Ім. І.Франка
Кафедра нелінійної оптики
РЕФЕРАТ
на тему:
„Фотоприймачі з внутрішнім підсиленням”
[pic]
Виконали:
Студенти факультету прикладної
математики та інформатики
II-го курсу групи ПМІ - 21
Ганцаж Андріан та
Тимовчак Степан
Львів 1999
Зміст:
1. Загальні принципи роботи фотоприймачів (ФП).
2. Основні характеристики і параметри ФП.
3. Різні типи внутрішнього підсилення в ФП:
– звичайне підсилення на основі p-n-переходу (біполярні
транзистори);
– інжекційне підсилення;
– лавинне підсилення;
5. Застосування ФП з внутрішнім підсиленням.
6. Перспективи.
ФОТОПРОВІДНІСТЬ НАПІВПРОВІДНИКІВ
Оптична генерація носіїв току. Вільні носії, що беруть участь в
електропровідності напівпровідника і знаходяться з решіткою у
термодинамічній рівновазі, з'являються в результаті термічної генерації.
Вони називаються зрівноваженими, а провідність у цьому випадку –
зрівноваженою провідністю. Поява вільних електронів і дірок може бути
пов'язана з іншими чинниками, зокрема, із поглинанням оптичного
випромінювання. Носії струму, що виникли в матеріалі, минаючи термічне
збудження, називаються незрівноваженими. Відповідно і надлишкова
провідність називається незрівноваженою.
При поглинанні фотона електронно-діркова пара одержує деяку надлишкову
енергію і квазіімпульс. Зрівноважений розподіл фотоносіїв по енергіях і
квазіімпульсах встановлюється за час, менший часу перебування у відповідних
зонах. Тому вони встигають "термолізуватися", тобто розподіл їх по енергіях
і квазіімпульсах стає таким же, як і для зрівноважених електронів і дірок.
Повна електропровідність:
( = q((nn0 + (pp0 + (n(n + (p(p),
де n0 і p0 – зрівноважені концентрації електронів і дірок; (n, (p –
незрівноважені їх концентрації.
Фотопровідність:
(ф = q((n(n + (p(p)
При h( ( Eg концентрація незрівноважених електронів і дирок пропорційна
швидкості оптичної генерації, тобто g = a((()Nф, де Nф – потік фотонів,
((() – квантовий вихід фотоіонізації (кількість електронно-діркових пар,
утворених одним квантом світла).
Підсилення фотоструму. В однорідному напівпровіднику фотострум:
Iф = qGKф,
де G – повна генерація; Kф = (n / tn + (p / tp – коефіцієнт підсилення; tn
,tp – часи прольоту електронів і дірок між електродами при довжині зразка
d і прикладеній напрузі U:
tn = d2 / ((n U), tp=d2/((p U)
В результаті:
Kф = ((n / tn + (p / tp)U / d2
Iф = qG((n / tn + (p / tp)U / d2
Фізичний зміст коефіцієнта підсилення полягає в тому, що, утворена
світлом незрівноважена провідність в напівпровіднику зберігається до того
часу, поки не рекомбінуються в об’ємі чи не вийдуть з нього через контакти
в зовнішній ланцюг залишкові носії. Оскільки електрони і дірки мають різні
рухливості, то при досить великих напругах електричного поля (коли час
прольоту електрона через зразок буде менший часу життя) за час до
рекомбінації електронно-діркової пари від контакту до контакту пройде
електронів більше, ніж один. Якщо час життя і рухливість не залежать від
поля, то фотострум повинен лінійно зростати зі збільшенням прикладеної
напруги чи зменшенням відстані між контактами. Така залежність буде
зберігатись доти, поки час прольоту дірок не зменшиться до часу життя.
Після цього фотострум перестає зростати, так як ефективний час життя
незрівноваженої електронно-діркової пари починає спадати пропорційно до
прикладеного електричного поля, що компенсує збільшення швидкості їх руху.
В цій області зміщень швидкодія збільшується. Нелінійна залежність
фотоструму може бути зв’язана з виникненням об’ємного заряду в
напівпровіднику з залежністю від електричного поля рухливості і часу життя
носіїв внаслідок їх “розігріву”, тобто збільшення швидкості вище теплової
при даній температурі.
Для власного поглинання в області малих зміщень при рівномірній по
об’єму генерації електронно-діркових пар зміна незрівноваженої провідності
визначається рівнянням:
d(ф / dt = q((n + (p)G - (ф / (ф,
де (ф = ((n(n + (p(p)( (n(n / (n + (p(p / (p)-1
Це є час релаксації фотопровідності (час життя незрівноваженої
провідності) і визначає темп затухання незрівноваженої провідності (ф.
В стаціонарному стані (d(ф / dt = 0) фотопровідність:
(Фст = q((n + (p)G(ф
Видно, що чим вище (ф, тим більша фотопровідність, але і більший час
встановлення стаціонарного стану, тобто більша інерційність фотоприйомного
приладу і менша полоса пропускання (f. Якість фотоприймача оцінюється його
добротністю
Q = Kф(f
Для кожного типу фотоприймача з лінійним механізмом підсилення
фотоструму його добротність є величина постійна .Виграш в коефіцієнті
підсилення супроводжується пропорційним зменшенням полоси пропускання і
навпаки.
ХАРАКТЕРИСТИКИ І ПАРАМЕТРИ ФОТОПРИЙМАЧІВ
ХАРАКТЕРИСТИКИ ФОТОПРИЙМАЧІВ
Фотоприймачі є приладами, що реагують на потік випромінювання.
Вольт-амперна характеристика відображає залежність струму, що проходить
у ланцюзі фотоприймача, від напруги на ньому. Світловий (загальний) струм I
= IТ + IФ де ІТ - струм за відсутності освітлення; IФ – фотострум.
Спектральна характеристика визначає реакцію фотоприймача на вплив
випромінювання з різноманітною довжиною хвилі. Вона визначає спектральну
область застосування приймача, а також його спектральну й інтегральну
чутливості. Енергетична (світлова) характеристика відображає залежність
фотовіддачі від інтенсивності збуджуючого потоку випромінювання (ампер-
ватна, вольт-ватна, люкс-амперна характеристики).
Енергетичною характеристикою називають також залежність інтегральної
або спектральної чутливості приймача від інтенсивності засвітки.
Температурні характеристики визначають залежність ряду параметрів
(темновий струм, темновий опір, чутливість і ін.) від температури
навколишнього середовища. При цьому обумовлюються значення основних
параметрів у крайніх точках робочого діапазону при робочій напрузі живлення
фотоприймача. Температурний коефіцієнт фотоструму (ТК) визначається
відношенням
ТК = [(І2 - І1) / І1(Т2 - Т1)]100%,
де І1 і І2 – світловий струм при температурі Т1 і Т2 відповідно.
Граничні характеристики описують здатність фотоприймача реагувати на
світлові сигнали слабкої інтенсивності. У значній мірі ці характеристики
визначаються власними шумами приладу, що є флуктуацією струму, що проходить
через нього за відсутності засвітки або при впливі немодульованого
світлового потоку.
Тепловий шум є білим і виявляється у вигляді безладних коливань на
виводах фотоприймача. Напругу цього шуму можна зменшити навантаженням
приймача узгодженим опором. До складу струмового (1/f), або надлишкового,
шуму входять модуляційний і контактний шуми. Іноді (при частотах
f[pic]1/2[pic]до цього типу шумів відносять і генераційно-рекомбінаційний
шум.
Радіаційний шум обумовлений випадковими флуктуаціями потоку
випромінювання. Спектр потужності радіаційного (фотонного) шуму має
постійну амплітуду, що слабко залежить від частоти.
Важливими властивостями фотоприймачів є стабільність – спроможність
зберігати фотоелектричні параметри у визначених межах протягом заданого
часу - і довговічність - спроможність тривалої роботи у визначеному режимі
за умови зберігання фотоелектричних параметрів у межах норм. Як правило, в
якості критеріїв оцінки стабільності і довговічності виступають темновой
струм і чутливість (для фотодіодів) і темновий опір (для фоторезисторів).
Довговічність характеризує безупинний режим роботи приладу протягом
зазначеного часу в певних умовах.
Умови роботи пристроїв, у яких застосовуються фотоприймачі, дуже часто
відрізняються від нормальних. Прилади при цьому піддаються різноманітного
роду механічним і кліматичним впливам (вібрація, удари, трясіння, наявність
підвищеної вологості і лінійні прискорення). Працездатність фотоприймачів у
різноманітних умовах забезпечується рядом технологічних і конструктивних
заходів.
Частотні характеристики визначають залежність фоточутливості від
частоти модуляції світла. Вони є характеристикою інерційності фотоприймача.
ПАРАМЕТРИ ФОТОПРИЙМАЧІВ
Робоча напруга фотоприймача Up - постійна напруга, прикладена до
фотоприймача, при якому забезпечуються номінальні параметри при тривалій
роботі в заданих експлуатаційних умовах. Його вибирають із запасом відносно
пробивної напруги.
Максимально допустима напруга Umax – максимальне значення постійної
напруги, при якому відхилення параметрів приладу від номінальних значень не
перевищує встановлених меж. При роботі в імпульсному режимі Umax може бути
збільшене.
Потужність розсіювання, що виділяється при проходженні фотоструму,
визначає розігрів фотоприймача. Велика потужність, що розсіюється, може
призвести до необоротної зміни струмів Іт і Iф. Кожний приймач
характеризується визначеним значенням максимальної потужності розсіювання
Рдоп, що не повинне перевищуватися. Значення Рдоп залежить від умов
тепловідводу, розмірів робочої площадки й інших чинників.
Темновий опір Rт – опір фотоприймача за відсутності падаючого на нього
випромінювання в діапазоні його спектральної чутливості.
Диференціальний опір Rд – відношення малих приростів напруги і току па
фотоприймачі.
Темновий струм фотоприймача Іт - струм, що проходить через фотоприймач
при зазначеній напрузі на ньому за відсутності потоку випромінювання в
діапазоні спектральної чутливості.
Короткохвильова (довгохвильова) межа спектральної чутливості – найменша
(найбільша) довжина хвилі монохроматичного випромінювання, при якому
монохроматична чутливість фотоприймача дорівнює 0,1 її максимального
значення.
Динамічний діапазон лінійності (у децибелах) характеризує область
значень променистого потоку Ф (від Фmах до Фmin), для котрої енергетична
характеристика лінійна: ([pic]=101g(Фmах/Фmin).
Максимум спектральної характеристики фотоприймача – довжина хвилі, що
відповідає максимуму чутливості фотоприймача. Положення максимуму залежить
від об'ємного часу життя незрівноважених носіїв, швидкості поверхневої
рекомбінації, геометричних розмірів світлочутливої площадки й інших
чинників.
Струмова фоточутливість Si (А/лк або в А/Вт) визначає значення
фотоструму, утворюваного одиничним потоком випромінювання. Нерідко замість
потоку випромінювання, що падає на фотоприймач, задається щільність
падаючого потоку, що вимірюється у Вт/м2.
Вольтова фоточутливість Su характеризує значення сигналу у вольтах,
віднесене до одиниці падаючого потоку випромінювання.
Струмова і вольтова чутливості називаються інтегральними, якщо вони
характеризують чутливість до інтегрального потоку випромінювання і
монохроматичними, якщо характеризують фоточутливість до монохроматичного
випромінювання. Звичайно фотоприймачі описують або інтегральною
фоточутливістю, або фоточутливістю в максимумі випромінювання (Si[pic]max,
S Si[pic]min ) із вказанням довжин хвиль, при яких чутливість зменшується
вдвічі.
Інтегральні струмову і вольтову чутливості Sі і Su обчислюють за
формулами:
Si = [pic], Su = [pic]
де І, U і Iт, Uт - загальні і темнові струм і напруга на фотоприймачі
відповідно.
Гранична чутливість Рпор визначає рівень потужності світлового потоку,
при якому сигнал дорівнює шуму.
Інерційність фотоприймачів характеризується постійними часу фронту
наростання [pic]н і спаду [pic]сп фотовідповіді при імпульсній засвітці.
Ними визначаються граничні робочі частоти модуляції світла, при котрих ще
не відбувається помітного зменшення фотовідповіді. Як правило, [pic]н
nn має
вигляд:
Інас = gSLppn / [pic]p.
Це cтрум незрівноважених носіїв заряду, що генеруються з темпом
pn/[pic]p в шарі бази шириною, рівною довжині дифузії неосновних носіїв
(дірок) Lp. За аналогією фотострум
Іф = qS([pic]р / [pic]p)[pic],
де [pic]p – концентрація генерованих світлом носіїв. Оскільки [pic] | |
