Курсовая работа: Внутренний фотоэффект
Курсовая работа: Внутренний фотоэффект
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 4
1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВНУТРЕННЕГО ФОТОЭФФЕКТА 5
2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВНУТРЕННЕГО ФОТОЭФФЕКТА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ
ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН 12
2.1 Фотоэлектрические
преобразователи 12
2.2 Датчики положения 19
2.3 Двухкоординатное измерение
положения 22
2.4 Датчики шероховатости 24
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 26
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 27
ВВЕДЕНИЕ
Одним из наиболее важных
приоритетов в развитии человечества является открытие и использование новых
видов энергии, одним из которых стало открытие явления фотоэффекта. С 1876
года, когда в Великобритании был создан первый фотоэлемент, до наших дней
ученые работают над совершенствованием этой технологии, повышением ее эффективности.
Однако подлинная история использования полупроводниковых преобразователей началась
в 1958-м, когда на третьем советском в качестве источника энергии были
установлены солнечные кремниевые батареи, с тех пор основной источник энергии в
космосе. В 1974 году ученые приступили к промышленному производству солнечных
батарей на гетероструктурах, тогда же этими батареями стали оснащаться
искусственные спутники. Сейчас в мире идет работа над удвоением мощности
солнечных фотоэлектрических установок. Это наиболее перспективный способ
получения и использования энергии на Земле. Пока, правда, это самый дорогой вид
энергии, но в перспективе ее стоимость будет сравнима с той, что вырабатывается
на атомных станциях. Тем более что такая энергия экологически безопасна и
запасы ее практически неисчерпаемы. По оценкам специалистов, в 2020 году до 20
% мировой электроэнергии будет производиться за счет фотоэлектрического
преобразования солнечной энергии в машиностроении, приборостроении медицине, космосе
и других отраслях. Уже сейчас много направлений, на которых солнечная энергия
находит широкое применение-это мобильная телефонная связь, которой необходима
автономное питание антенн при отсутствии линий электропередач.[1]
1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВНУТРЕННЕГО ФОТОЭФФЕКТА
Внутренний фотоэффект представляет собой процесс образования свободных носителей
заряда внутри вещества при воздействии излучения. Взаимодействие излучения с
веществом (далее будем рассматривать только полупроводники)
может происходить без изменения или с изменением энергии падающего кванта. В
этом случае лишь поглощение фотонов представляет интерес. При этом, однако,
возможно такое поглощение, при котором энергия фотона переходит в упругие колебания
кристаллической решетки, иными словами, в энергию фононов, в результате
поглощение излучения вызывает повышение температуры тела.
Этот эффект находит и практическое применение в одной из
разновидностей фотоприемников - болометрах, но из-за невысокой чувствительности
и низкого быстродействия болометры в оптоэлектронике не применяются. Лишь
непосредственное возбуждение атомов, заключающееся в появлении дополнительных
носителей заряда (фотоносителей), относится к фотоэффекту. Фотоэффект
проявляется в электронных переходах двух типов: собственных (фундаментальных) и
примесных (рисунок 1.1).
Собственные переходы (или собственная проводимость) сопровождаются увеличением
концентрации свободных носителей обоих знаков - и электронов, и дырок.
Математическое условие начала возникновения собственной фотопроводимости записывается
так:
, (1.1)
где hv - энергия кванта излучения.
При
выполнении этого условия вблизи границы поглощения, соответствующей равенству в
(1.1), зависимость коэффициента поглощения от энергии кванта для прямозонных и
непрямозонных полупроводников соответственно имеет вид:
(1.2)
(1.3)
где А и В - константы;
- энергия фонона, а выбор знака в (1.3) зависит от того, идет ли процесс с
отдачей энергии фонону (плюс) или с получением энергии от него (минус).
Рисунок 1.1 - Собственные (1) и примесные (2, 3) фотопереходы
электронов в полупроводнике (Ел - уровень ловушки)
Рисунок 1.2 - Спектральные зависимости обратного коэффициента
поглощения (
) некоторых полупроводников
Прямозонные переходы происходят без изменения импульса
электрона (
), т.е. для их
осуществления не требуется участия какого-либо третьего тела, а необходима лишь
встреча электрона и дырки; такие переходы представляют собой вероятностные
процессы первого порядка. При непрямозонных переходах обязательна передача
части импульса фонону (
). Это
процессы второго порядка, и их вероятность намного меньше (на несколько
порядков), чем прямозонных переходов.
Равенство в (1.1) определяет красную границу фотоэффекта
, (1.4)
где λгр, мкм; Eg, эВ.
Вблизи
этой границы χ растет очень быстро, изменяясь, как правило, на 3-4 порядка
при увеличении энергии кванта на 0,1 эВ (рисунок 1.2). При выполнении условия
(1.1) каждый поглощенный фотон порождает одну пару электрон - дырка или, иными
словами, квантовая эффективность η=l. Это положение сохраняется при повышении энергии квантов, и
лишь при hυ> (2...3)Eg квантовая эффективность начинает возрастать. При очень
больших энергиях квантов на генерацию пары носителей в среднем затрачивается
порция энергии около 3Eg. Таким образом,
энергетически наиболее выгоден фотоэффект, вызываемый квантами с hv≈Eg; при преобразовании высокоэнергетических квантов (коротковолновое
излучение) значительная часть их энергии переходит в тепло.
Край спектра поглощения
полупроводника λгр может смещаться в длинноволновую сторону при
приложении электрического поля; это явление известно как эффект Келдыша -
Франца. Действие электрического поля приводит к наклону энергетических зон в
пространстве, так что при энергии квантов hv<Eg электрон может оторваться от атома вследствие туннелирования между
состояниями валентной зоны и зоны проводимости, разделенными в кристалле малым
расстоянием Δχ (рисунок 1.3). Расчет показывает, что ширина
запрещенной зоны уменьшается пропорционально квадрату напряженности
электрического поля; этот сдвиг для арсенида галлия около 10-15 эВ∙В-2∙см-2.
При реально достижимых электрических полях удается сместить край поглощения на
несколько сотых долей электрон-вольта, что по абсолютной величине мало, но
может приводить к изменению коэффициента поглощения на три порядка. Эффект
Келдыша - Франца используется для создания высокоскоростных модуляторов света.
Рисунок 1.3 - Энергетическая диаграмма полупроводника при
воздействии сильного электрического поля и квантовый переход электрона из
валентной зоны в зону проводимости, иллюстрирующий эффект Келдыша-Франца
Примесное поглощение (примесная фотопроводимость) имеет
место тогда, когда энергии квантов не хватает для образования электронно-дырочной
пары, но ее достаточно, чтобы возбудить примесный атом до состояния, когда образуется
свободный электрон и связанная дырка или свободная дырка и связанный электрон
(см. рисунок 1.1). Первое отличие примесной фотопроводимости от собственной
состоит в меньшей энергии поглощаемых квантов; для очень мелких акцепторных и донор-ных
уровней энергия этих квантов может быть в десятки и сотни раз меньше Eg. В этой связи примесная фотопроводимость открывает широкие
возможности создания фотоприемников ИК-диапазона (включая дальний ИК- и субмиллиметровый
радиодиапазон).
Второе отличие состоит в том, что примесное поглощение ведет
к генерации лишь одного типа носителей - электронов или дырок, и третье - в
том, что эффективность примесного поглощения значительно меньше, чем
собственного: в типичных случаях концентрация примесных атомов значительно
меньше (на 6-8 порядков), чем атомов самого полупроводника. Отсюда следует, что
для реализации поглощения на примесях необходимо использовать полупроводники
большой толщины, а это всегда ведет к нежелательному увеличению длительности
релаксационных процессов. Таким образом, примесное поглощение следует
использовать лишь в тех случаях, когда не удается подобрать полупроводник с
собственным поглощением в той же области спектра. Длинноволновая граница
примесного фотоэффекта также определяется формулой (1.4), если в ней Еg заменить на энергетический зазор
между примесным центром и разрешенной зоной, с которой осуществляется обмен
носителями заряда.
Кроме рассмотренных
собственного и примесного поглощений имеется еще несколько механизмов
взаимодействия квантов излучения с веществом, проявляющихся в фотоэффекте.
Прежде всего необходимо отметить поглощение на свободных носителях заряда. Это
приводит к перемещению носителя внутри разрешенной зоны на более высокий
энергетический уровень, т. е. к так называемому разогреву носителей (например,
электронов в зоне проводимости). Если обмен энергией между «горячим» электроном
и зоной осуществляется быстро, то эта избыточная энергия переходит в тепло и
фактически поглощенные таким образом кванты вклада в фотоэффект не дают. При
типичных значениях Еg ≈
1эВ поглощение на
свободных носителях может стать заметным на фоне собственного поглощения лишь
при концентрациях носителей не менее 1019 – 1020 см-3,
т. е. в относительно редких
случаях. Если каким-то образом обмен энергией между «горячими» электронами и
кристаллической решеткой замедлить (например, путем глубокого охлаждения), то
это приведет к тому, что их подвижность будет отличной от подвижности обычных
электронов проводимости. Это значит, что согласно (рисунок 1.1) изменится и
проводимость образца. Подобный эффект, известный как μ- фотопроводимость,
может использоваться для создания неизбирательных фотоприемников дальнего ИК-диапазона;
в оптоэлектронике реального применения он не находит.
Другой важный механизм - экситонное поглощение, в процессе
которого электрон и дырка приходят в возбужденное состояние, но остаются связанными
друг с другом силами кулоновского взаимодействия в водородоподобном состоянии,
т.е. в форме экситона. Энергия образования экситона примерно на 3-6 мэВ меньше
ширины запрещенной зоны, что обусловливает поглощение в области более
длинноволновой, чем у собственного поглощения. Кулоновское притяжение между
возбуждаемыми носителями заряда влияет на переходы зона - зона и в том случае,
когда носители образуются несвязанными. При достаточно больших концентрациях
свободных носителей кулоновские поля экранируются на очень малых расстояниях и
экситоны не образуются. Несмотря на то, что экситоны могут перемещаться по кристаллу,
фотопроводимость при этом не возникает, так как электрон и дырка движутся
вместе. Практически экситонное поглощение фотонов проявляется лишь в
высокоомных полупроводниках в виде тонкой структуры спектра слева и справа от
λгр.
Итак, при поглощении фотонов в полупроводнике (и в твердом
теле вообще) имеют место квантовые электронные переходы, часть из которых
(собственное и примесное поглощение) приводит к образованию избыточной
концентрации свободных носителей заряда, а часть (экситонное, фононное
поглощение и поглощение на свободных носителях) в конечном счете приводит лишь
к разогреву кристалла.
Возникновение свободных
носителей заряда под действием излучения составляет основу различных
фотоэлектрических эффектов. В оптоэлектронике находят применение две формы
проявления этих эффектов: фотопроводимость - увеличение проводимости материала,
появление добавочной составляющей проводимости под действием излучения
(наблюдается в однородных достаточно протяженных полупроводниковых образцах) и
фотовольтаический эффект, возникающий при воздействии излучения на структуры со
встроенным потенциальным барьером (р-n-переход, барьер Шотки и т. д.). Образующиеся носители заряда - электроны
и дырки - «растаскиваются» встроенным полем в разные стороны от границы,
вследствие чего возникает дополнительная, наведенная фото-ЭДС - высота
имеющегося потенциального барьера уменьшается. Если разнотипные области
выпрямляющей структуры замкнуты внешней электрической цепью, то под действием
фото-ЭДС по этой цепи начинает протекать ток и имеет место эффект возбуждения
фототока. Явления возникновения фотопроводимости, фото-ЭДС, фототока образуют
«физический фундамент», на котором основано действие большинства
фотоприемников. Поглощенное излучение, приводящее к разогреву полупроводника, с
точки зрения задач оптоэлектроники теряется бесполезно.[2]
2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВНУТРЕННЕГО ФОТОЭФФЕКТА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ
ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
Фотоэлектрические преобразователи по основному своему
назначению основаны на принципе преобразования излучения оптического диапазона
в электрический сигнал. Оптический диапазон занимает область спектра
электромагнитных излучений от глубокого ультрафиолетового (от 0,01 мкм) до
дальнего инфракрасного излучения (до 1000 мкм) (рисунок 2.1).
Это излучение может быть как собственным излучением
исследуемого объекта, так и отраженным или рассеиваемым его поверхностью, или
частично поглощенным, если тело полупрозрачно. Ряд фотоэлектрических
преобразователей использует принцип прерывания. Интервалы засветки прерывания
освещенности являются в этом случае информативным параметром изучаемого
процесса.
Рисунок 2.1 – Спектр оптического излучения
Преобразователи
собственного излучения исследуемых объектов принято называть пассивными. Такие
преобразователи позволяют оценивать энергетические, спектральные, фазовые,
поляризационные характеристики изучаемого излучения.
Преобразователи, построенные на принципе преобразования излучения
от внешнего источника, взаимодействующего с исследуемым объектом, называют
активными. В качестве внешних источников в активных преобразователях
используются светодиоды, твердотельные и полупроводниковые лазеры. В последнее
время в сочетании с волоконными элементами начали использоваться
волоконно-оптические лазеры.
Таким образом, специфической функцией фотоэлектрических преобразователей
является преобразование оптического излучения в электрический сигнал. Эта функция
выполняется разнообразными приемниками излучения, которые в основном относятся
к двум группам - собственно фотоэлектрическим и тепловым.
К фотоэлектрическим относятся приемники с внешним и внутренним
фотоэффектами.
Группу приемников с
внешним фотоэффектом составляют вакуум- газонаполненные фотоэлементы и
фотоумножители. Исторически были первыми практическими фотоэлектрическими
преобразователями созданы во времена развития вакуумной электроники, имели
кислотно-цезиевый или сурмяно-цезиевый фотокатод. Однако при бесспорных
достоинствах этой группы преобразователей - высокая чувствительность
(фотоумножители, газонаполненные фотоэлементы) и высокое быстродействие
(вакуумные фотоэлементы и фотоумножители) - они обладают и бесспорными
недостатками (необходимость высоких питающих напряжений и существенные
габариты), что делает предпочтительным использование в современных датчиках
полупроводниковых фотоприемников с внутренним фотоэффектом.
Простейшим представителем этой группы фотоэлементов являются фоторезисторы,
действие которых основано на зависимости их фотопроводимости от интенсивности и
спектрального состава падающего на них излучения. Технологически фоторезисторы
формируются в виде поликристаллических пластинок.
Большой селективностью и избирательной чувствительностью характеризуются
монокристаллические фоторезисторы. Охлаждение фоторезисторов повышает их
чувствительность в сторону длинноволнового излучения.
Зависимость фототока в
цепи фоторезистора нелинейна, причем нелинейность зависит от освещенности.
Постоянная времени прессованных резисторов наибольшая, у монокристаллических -
наименьшая. С ростом освещенности инерционность уменьшается. Главным
достоинством фоторезисторов является простота их устройства и низкая стоимость,
главным недостатком - заметная инерционность (по сравнению с другими
фотоэлектрическими преобразователями) и температурная и временная нестабильность.
Фотоэлектрические
приемники, в которых под действием излучения возникает фото-ЭДС, называются
вентильными фотоэлементами, или фотоэлементами с запорным слоем. Они
выполняются на основе полупроводниковых р-n переходов и могут использоваться не
только в вентильном, но и в диодном режиме - с внешним источником обратного
напряжения, поданного на фотодиод. Структура фотодиода представлена на рисунке
2.2. На рисунке 2.3 представлены спектральные характеристики германиевого (1) и
кремниевого (2) фотодиодов. Кремний и германий являются основными материалами
для изготовления фотодиодов.
Рисунок 2.2 – Структура
фотодиода
Рисунок 2.3 -
Спектральные характеристики германиевого (1) и кремниевого (2) фотодиодов
Обратный ток кремниевых р-n переходов существенно меньше, чем германиевых. Поэтому порог
чувствительности кремниевых фотодиодов порядка 10-13... 10-14
Вт/Гц1/2, германиевых - порядка 10-12 Вт/Гц1/2.
Кремниевые фотодиоды работают в более широком интервале температур.
В диодном режиме фотоприемники имеют существенные преимущества
по сравнению с вентильным режимом (большее быстродействие, лучшая стабильность,
больший динамический диапазон, большая чувствительность в ИК-области).
Недостатком диодного режима является наличие темнового тока. На рисунке 2.4
представлены частотные характеристики кремниевых фотодиодов р-типа (а) в
вентильном и диодном режиме и n-типа
(б) в диодном режиме.
Рисунок 2.4 - Частотные характеристики фотодиода на основе кремния р-типа (а) n-типа (б) при напряжении 1 - 0 В; 2 -
1 В; 3 - 4 В; 4 - 10 В; 5 - 100 В; 6 - 15 В; 7 - 150 В
Существуют важные
разновидности фотодиодов: p-i-n диоды - а, лавинные - б, гетерофотодиоды - в
(рисунок 2.5) и др.
Рисунок 2.5 – Структура p-i-n, лавинного и
гетерофотодиода
В p-i-n имеются три области - сильнолегированная n+- область, область с малой концентрацией примеси (i-область) и сильнолегированная р+-
область. В лавинных фотодиодах реализуется усиление тока, обусловленное
умножением числа носителей за счет ионизации атомов кристаллической решетки.
Гетерофотодиоды используют слоистую структуру из разных
полупроводниковых материалов.
Преимущество этих трех реализаций состоит в том, что
достигается высокая чувствительность при высоком быстродействии.
На рисунке 2.6 показана
спектральная характеристика гетероэпоксиального p-i-n диода с гетеропереходом тонкого
р-слоя Ga1-хAlxAs и р и n слоев GaAs.
Видно, что фотодиоды такого вида с успехом могут использоваться в видимой и
ультрафиолетовой области спектра. Такие фотодиоды имеют расширенный
температурный диапазон использования.
Рисунок 2.6 - Спектральная характеристика p-i-n-диода с гетеропереходом
Ga1-хAlxAs - GaAs
Лавинные фотодиоды на
основе кремния обладают внутренним усилением до 103, высокой чувствительностью
до 1 А/Вт на длине волны λ= 0,9 мкм, малой инерционностью - до 0,5 нс,
низким порогом – до 10-15 Вт/Гц1/2. Биполярный фототранзистор имеет два р-n
перехода. Фотовоспринимающей частью является освещаемая часть перехода база -
коллектор (рисунок 2.7). Следует только иметь в виду, что во столько же раз, на
столько фоторезистор усиливает фототок и во сколько увеличивается интегральная
чувствительность по сравнению с аналогичным фотодиодом, уменьшается предельная
частота, т.е. произведение коэффициента усиления на ширину полосы остается
неизменным и соответствует этой величине для фотодиода. Спектральные
характеристики фототранзисторов из германия и кремния аналогичны
характеристикам фотодиодов.
Рисунок 2.7 - Структура
биполярного фототранзистора
Рисунок 2.8 - Структура полевого фототранзистора
Структура полевого фототранзистора представлена на рисунке 2.8.
Такие транзисторы характеризуются высоким входным сопротивлением (до 106
Ом) и имеют хорошие пороговые характеристики, высокое быстродействие
(вследствие отсутствия инжекции и диффузионной емкости на входе). Эти
фототранзисторы имеют лучшую температурную стабильность и повышенную
радиационную стойкость по сравнению с биполярными фото-транзисторами.
В тепловых фотоприемниках энергия оптического излучения
преобразуется в тепловую при ее поглощении приемной площадкой. Приемная площадка
покрывается высокопоглощающим покрытием с коэффициентом черноты более 0,9.
Такие покрытия не селективны и поглощают интегральный тепловой поток во всем
диапазоне длин волн падающего излучения. Приемная площадка изолируется от
конструкции фотоприемника, благодаря чему по изменению температуры нагрева
площадки можно судить о величине падающего потока излучения.
По способу изменения температуры приемника тепловые фотоприемники
подразделяются на термоэлектрические, болометрические, пироэлектрические.
Термоэлектрические приемники используют фольговые
термобатареи. Для повышения чувствительности и быстродействия таких приемников
уменьшают размеры приемных площадок. Так, в радиационных термометрах для
измерения температуры в диапазоне -60...+100 °С используют приемные площадки
диаметром 3 мм с поглощением излучения в области от 0,4 до 25 мкм,
чувствительностью 0,1 В/Вт и постоянной времени 0,4 с.
В болометрах используется терморезистивный способ измерения
температуры. Приемной площадкой является сам чувствительный элемент с теплопоглощающим
покрытием.
В качестве терморезистивного материала используются металлы
или полупроводники в виде автономной фольги либо пленки, нанесенной на
изоляционную подложку. Порог чувствительности таких болометров находиться на
уровне 10-6К.[1]
С помощью датчиков
положения можно бесконтактным способом дистанционно регистрировать процессы
перемещения и управлять ими. Пример применения такого датчика показан на
рисунке 2.9.
Например, нужно
зарегистрировать вибрацию какого-либо механизма в процессе работы при различных
нагрузках. Для этого на нем в характерном месте устанавливают светодиод (излучатель).
Излучение этого
светодиода с помощью отображающей оптики (например, линзы) фокусируется на
датчике положения.
Рисунок 2.9 - Схема устройства для регистрации вибрации механизма
В принципе такой датчик состоит из удлиненного pin-диода с двумя выходными электродами
с одной стороны и одним электродом с противоположной стороны (рисунок 2.10).
Рисунок 2.10 - Структура
датчика положения: подложка из высокочистого кремния является i-областью с собственной проводимостью
При неработающем
механизме отображающая оптика юстируется таким образом, чтобы на обе части pin-диода попадало излучение одинаковой
интенсивности, т. е. 1А=IВ. Как только светодиод начинает
перемещаться из-за вибраций механизма, интенсивность перераспределяется и
нарушается равенство токов 1А и IВ. В итоге разность ΔI=[1А - IВ] оказывается
мерой уровня вибрации механизма, которую можно оценивать при разных режимах работы.
Важнейшие характеристики датчиков положения графически представлены на рисунке 2.10.
Линейность измерения положения (рисунок 2.10, б) означает отклонение выходного
сигнала от номинального значения (в процентах) при линейном смещении по всей
длине датчика (в данном случае 30 мм). Это важнейшая характеристика соблюдается
в пределах погрешности ±1 %.[2]
Р - генератор фототока; D - идеальный диод; Сj- емкость рn-перехода; Rsh - сопротивление
шунта; Rie - поверхностное сопротивление
Рисунок 2.10 Спектральная
чувствительность (а), линейность измерения положения (б), температурная
зависимость спектральной чувствительности (в) и эквивалентная схема (г) датчика
положения
Типичными примерами
применения оптических датчиков положения являются измерения протяженных
объектов (например, туннелей, зданий, конструкций) с помощью луча лазера,
направляемого на датчик. Отклонение луча от центра, датчика вследствие перемещений
или вибраций может быть измерено с большой точностью.
2.3 Двухкоординатное измерение положения
Двухкоординатное
измерение положения добавляет еще одну степень свободы при определении
положения или размещении (позиционировании) объекта.
Датчик этого типа состоит из активной поверхности в форме
квадрата, на каждой стороне которого имеется по электроду (рисунок 2.11).
Противоположные электроды предназначены соответственно для определения смещений
по осям X и У, как показано на рисунке 2.12.
Рисунок 2.11 – Конструктивное исполнение двухкоординатного датчика
положения
Рисунок 2.12 - Схема измерительного блока (вычислительная
схема) двухкоординатного датчика положения
Сигналы Y1 и Y2 с помощью
предусилителей согласуются с вычислительной схемой, формирующей отношение
разности сигналов к их сумме. Процесс вычисления аналогичен осуществляемому в
линейных датчиках положения. Благодаря дополнительной степени свободы (по оси X) осуществляется двухкоординатное измерение положения.
Линейность XY-позиционирования
показана на рисунке 2.13. Она представляет собой меру точности определения
положения. Область применения датчиков этого типа в принципе та же, что и у
линейных.[2]
Рисунок 2.13 - Типичная линейность измерения положения
Контроль качества поверхности деталей при автоматизированном
производстве оказывается возможным благодаря применению линейных датчиков
изображения (или последовательного ряда фотодиодов). На рисунке 2.14
иллюстрируется принципиальное устройство датчика шероховатости (тип RM400S, фирма Rodenstock). Действие этого датчика основано на измерении светорассеяния.
Пучок света, испускаемый ИК-светодиодом (λ0=
810 нм), фокусируется объективом на детали. Световое пятно на поверхности
детали обычно имеет размер около 1,8 мм, а в специальных случаях – 0,2...4 мм.
В зависимости от качества поверхности обследуемого объекта в зоне светового
пятна происходит рассеяние света, который с помощью светоделительной пластинки
направляется на датчик изображения. Дисперсия распределения рассеянного света
дает характеристику оптической шероховатости поверхности SN
(2.1)
где i -
номер фотодиода;
pi - интенсивность, регистрируемая i-м фотодиодом;
- номер фотодиода, усредненного по интенсивности;
g -
нормирующий множитель.
Расчет выполняется, естественно, микропроцессором,
позволяющим обрабатывать около 20 измерений за 1 с.
На рисунке 2.14 изображены поверхности различного качества,
характерные для деталей, изготовленных точением, шлифованием и прокаткой. При
точении и шлифовании получается равномерный бороздчатый профиль, тогда как
прокатанная поверхность имеет нерегулярный рельеф. Это различие отчетливо
проявляется в характере светорассеяния, так как в противоположность точеной и
шлифованной поверхности прокатанная поверхность имеет центросимметричное
распределение интенсивности рассеянного света.
Рисунок 2.14 - Внешний вид поверхности деталей, обработанных
различным образом (а), соответствующие картины рассеяния света на датчике
изображения (б) и кривые распределения рассеянного света (в)
Оптические характеристики шероховатости SN точеной и шлифованной поверхностей,
определенные по кривым распределения светорассеяния (рисунок 2.14) отличаются
незначительно (72 и 78 соответственно), тогда как для прокатанной поверхности SN=48.[2]
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной курсовой работе
описана общая характеристика внутреннего фотоэффекта, а также использование
последнего при измерении различных физических величин.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Р.А. Бейлина, Ю.Г. Гросберг, Д.А.
Довгяло. Микроэлектронные датчики: Учебное пособие.- Новополоцк: ПГУ,
2001.-308с.
2. Г.
Виглеб. Датчики: Пер. с нем. - М.: Мир, 1989. - 196 с, ил.