ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СВЕТОВОГО ПОТОКА В РЕЗОНАНСНУЮ ЧАСТОТУ Российский патент 1997 года по МПК G02F1/15 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах управления технологическими процессами.

Известен фотоэлектрический преобразователь (см. Фотоэлектрические преобразователи информации, под ред. Д.М. Преснухина. М. Машиностроение, 1974, с. 60-61), основанный на явлении, возникающим при освещении или затемнении фотоэлемента. В этой разработке, содержащей оптическую систему, воспринимающий и вторичный блоки, по усиленному напряжению электрического сигнала судят о контролируемом объекте.

Недостатком данного устройства является сложность конструкции и нестабильность элементов схемы вторичного блока.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятый за прототип фотоэлектрический преобразователь (см. Литвак В.И. Фотоэлектрические датчики в системах контроля, управления и регулирования, М. Наука, 1966, с. 124), содержащий фотоэлемент, преобразующий световой поток в фототок, и измеряющий последний индикатор. При освещении фотоэлемента в цепи индикатора появляется ток, величина которого пропорциональна контролируемому световому потоку.

Недостатком этого преобразователя следует считать невысокую точность, обусловленную влиянием дестабилизирующих факторов на амплитуду тока электрического сигнала.

Задачей изобретения упрощение процесса преобразования и повышение его точности.

Задача достигается тем, что в преобразователь, содержащий фоточувствительный элемент на входе и индикатор, введены отрезок длинной линии, разомкнутый на конце, и автогенератор, фоточувствительный элемент выполнен в виде фотоемкости, подключенной к концу отрезка длинной линии, начало которого через автогенератор соединено со входом индикатора.

Существенными отличительными признаками в указанной выше совокупности являются наличие отрезка длинной линии, разомкнутого на конце, автогенератора и фотоемкости (фотоварикапа).

В заявляемом техническом решении благодаря свойствам перечисленных признаков определение зависимости частоты отрезка длинной линии, возбужденного автогенератором, от емкости фотоварикапа позволяет решить поставленную задачу: достижение более высокой точности преобразования.

На чертеже приведена функциональная схема предлагаемого преобразователя.

Преобразователь содержит фотоемкость (фотоварикап) 1, подключенную к концу отрезка длинной линии 2, автогенератор 3, соединенный выходом со входом индикатора 4 и входом с началом отрезка длинной линии 2.

Преобразователь работает следующим образом. Освещение фотоемкости 1 световым потоком приводит к прямой зависимости емкости p-n-перехода фотоварикапа от освещения. В результате, так как отрезок длинной линии 2 нагружен на фотоемкость, то при возбуждении электромагнитных колебаний в указанном отрезке длинной линии его резонансная частота становится функцией емкости p-n-перехода, т.е. светового потока.

Полное сопротивление p-n-перехода фотоварикапа (см. Полупроводниковые фотоприемники, И.Д. Анисимова и др. М. Радио и связь, 1984, с. 73-74) может быть выражено как

где r_б сопротивление базы и контактов;
r параллельное соединение дифференциального сопротивления p-n-перехода r_д и сопротивление утечки r_у;
C зарядная (барьерная) емкость p-n-перехода.

В данном случае для условия резонанса колебательной системы, образованной между отрезком длинной линии и фотоварикапом можно записать
B_ол+B_фв=0 (2),
где B_ол и B_фв реактивные входные проводимости отрезка длинной линии и фотоварикапа соответственно.

Выражение (2) с учетом выражения (1) и реактивной проводимости отрезка длинной линии так, например, коаксиальной линии, примет вид

где реактивная проводимость фотоварикапа;
Z₀ волновое сопротивление отрезка длинной линии;
l длина отрезка и
c фазовая скорость электромагнитной волны типа ТЕМ в линии, равная в случае вакуумного наполнения скорости света.

Для упрощения расчетов в выражении (3) вместо реактивной проводимости фотоварикапа можно использовать реактивную проводимость плоского конденсатора (ωc), т.е. данную колебательную систему можно представить как резонатор типа коаксиальной линии, нагруженной на емкость. Тогда условие резонанса примет вид
,
Уравнение (4), определяющее резонансную частоту ω = ω_o, является трансцендентным и может быть решено лишь численными или графическими методами.

Из выражения (4) видно, что по резонансной частоте отрезка длинной линии можно судить об изменении емкости p-n-перехода фотоварикапа, обусловленной действием лучистого потока.

При использовании выражения (4) следует учитывать то принципиальное различие, которое существует между емкостями плоского конденсатора и фотоварикапа. Это различие состоит в том, что емкость плоского конденсатора не зависит от приложенного к конденсатору напряжения, а толщина же p-n-перехода фотоварикапа зависит от величины приложенного к нему напряжения, равного фотоЭДС, генерируемого фотоварикапом под действием светового потока. Следовательно зарядная (барьерная) емкость C зависит от напряжения: при возрастании запирающего напряжения толщина p-n-перехода увеличивается, а его барьерная емкость уменьшается.

В соответствии с вышеполученными результатами в рассматриваемом случае процесс преобразования светового потока в частоту включает в себя: возбуждение электромагнитных колебаний в отрезке длинной линии (для этого используется автогенератор 3), измерение резонансной частоты отрезка длинной линии при отсутствии освещения и определение сдвига частоты в зависимости от интенсивности светового потока. В преобразователе для оценки резонансной частоты используется индикатор 4 в виде частотомера.

В предлагаемом устройстве для изменения барьерной емкости при освещении кроме фотоварикапа могут быть использованы диоды Шитки и фотоприемники МДП-структуры.

Использование: техническое решение относится к области измерительной техники. Сущность изобретения: преобразователь содержит фотоемкость, подключенную к концу отрезка длинной линии, разомкнутого на конце, автогенератор, соединенный входом с началом отрезка длинной линии и выходом - с входом индикатора. 1 ил.

Преобразователь светового потока в резонансную частоту, содержащий фоточувствительный элемент на входе и индикатор, отличающийся тем, что в него введены отрезок длинной линии, разомкнутый на конце, и автогенератор, фоточувствительный элемент выполнен в виде фотоемкости, подключенной к концу отрезка длинной линии, начало которого через автогенератор соединено с входом индикатора.