СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЙ ПОТОКА ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК G01J1/44 

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для построения фотометрических и радиометрических приборов различного назначения, содержащих фотоприемные устройства на основе фоторезисторов.

Известны разные типы фоторезисторов, охлаждаемых и работающих при комнатной температуре. По сравнению с фотоэлементами и фотодиодами они перекрывают более широкую спектральную область от фильтрафиолета до дальней инфракрасной области. Однако в измерительных фотометрических устройствах они используются сравнительно редко из-за ограничительного диапазона линейного преобразования потока излучения в электрический сигнал.

Для приема импульсного и модулированного излучения наибольшее распространение получил способ измерений с разделением нагрузки по постоянному и переменному току (Аксененко М.Д., Бараночников М.Л., Смолин О.В. Микроэлектронные фотоприемные устройства. - М. : Энергоатомиздат, 1984, с.70-82), включающий подачу напряжения питания U_п на цепь, содержащую фоторезистор R_ф и токоограничивающий резистор R_н, и передачу полезного сигнала передающего тока U_с через разделительное устройство (конденсатор или трансформатор) на нагрузочную цепь для усиления и регистрации (фиг. 1a). Недостатками такого способа измерений с помощью фоторезисторов являются зависимость коэффициента преобразования S_в (вольтовой чувствительности) от уровня самого измеряемого оптического сигнала и величины постоянной засветки, которые приводят к динамическому и статическому изменению режима включения фоторезистора и нелинейности его характеристики преобразования.

Достаточно широко фоторезисторы используются и для регистрации квазинепрерывного излучения или сигналов с широким частотным спектром, включающим и постоянную составляющую. В этом случае используются разные реализации балансного способа измерений с помощью фоторезисторов. В качестве аналога можно рассмотреть способ фотометрических измерений (Хоффман К. Фотодетекторное устройство. - AUSZUEGE AUS DEN OFFENLEGUNGSSCHRIFTEN N 45 01.94), заключающийся в том, что фотосопротивление включают в плечо резистивного моста, подают напряжение питания от источника переменного тока, регистрируют разностный сигнал переменного тока с помощью частотно-селективных методов. Указанный способ имеет преимущества при регистрации слабых, медленно изменяющихся оптических сигналов, но и при его использовании нелинейность чувствительности при большом динамическом диапазоне изменения полезного сигнала или фоновой засветки проявляется в той же мере.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ фотометрических измерений, выбранный нами в качестве прототипа (Ишанин Г.Г. Приемники излучения оптических и оптико-электронных приборов. - Л.: Машиностроение, Ленинград. отд-ние, 1986, с.31-35). Он заключается в подаче напряжения питания на фоторезистор R_ф и нагрузочный резистор R_н, регистрации разностного сигнала ΔU_c цепи фоторезистора и дополнительной балансирующей цепи R₁, R₂ для компенсации постоянного смещения и стационарной фоновой засветки, в которой в качестве первого сопротивления R₁ может использоваться второй аналогичный фоторезистор (см. фиг. 1б).

Напряжение смещения на фоторезисторе обычно выбирают из условия U_см ≤ (P_мах• R_ф)^1/2 с учетом максимально допустимой рассеиваемой электрической мощности P и его собственного сопротивления R_ф, а сопротивление R_н нагрузки (оно же токоограничивающее) обычно равно собственному. При использовании мостовой или дифференциальной схемы включения компенсируется лишь падение напряжения на загрузочном резисторе и влияние постоянной фоновой засветки.

Для вольтовой чувствительности в случае, когда сигнал снимается с R_н относительно общей точки, можно записать выражение

где
R_т - сопротивление фоторезистора в отсутствие освещения (темновое сопротивление);
k = (ΔR/ΔФ) - - отношение изменения сопротивления ΔR = (R_т - R_ф) к вызвавшему его приращению потока излучения ΔФ.
Из него следует, что даже при постоянстве k из-за изменения первого сомножителя в знаменателе вольтовая чувствительность изменяется. Для типичного неохлаждаемого фоторезистора из сульфида цинка с темновым сопротивлением R_т = 50 кОм при напряжении смещения 15В вольтовая чувствительность составляет S_В = 1500 В/Вт. При равенстве R_т и R_н коэффициент k будет не менее 10⁷ Ом/Вт, что приведет к отклонению от линейности на 1% уже при потоке 0.1 мВт. При величине порогового потока 10^-7 Вт и отношение сигнал/шум ≥ 10 диапазон линейной работы составит не более 100. С другой стороны для таких резисторов типичная величина отношения, характеризующая максимальное изменение сопротивления, составляет R_т/R_ф ≥ 1.2 Для фоторезисторов на основе селенида и сульфида кадмия этот параметр достигает нескольких тысяч. Нелинейности характеристики преобразования в большей степени проявляется для более чувствительного экземпляра приемника. Диапазон работы традиционных схем при отступлении от линейности (2-5)% редко достигает 100. Кроме того, в отличие от фотодиодов и вакуумных фотоэлементов вольтовая чувствительность схемы непосредственно зависит от величины напряжения питания.

Технический результат заявляемого изобретения состоит в линиаризации световой характеристики фоторезистора и повышении точности измерений в широком диапазоне изменения уровня регистрируемого сигнала и фоновых засветок.

Указанный результат достигается в способе измерения потока излучения, включающем подачу напряжения питания на цепь включения фоторезистора и регистрацию сигнала, пропорционального потоку излучения, в котором оценивают минимальную величину сопротивления освещенного фоторезистора, подают на него напряжение смещения исходя из допустимой величины рассеиваемой электрической мощности, а в процессе воздействия полезного или фонового излучения на площадку фоторезистора напряжение смещения на ее собственном сопротивлении поддерживают постоянным.

На основе анализа физических свойств и ряда типовых схем включения фоторезисторов нами установлено, что использование традиционной модели "линейного изменения сопротивления" от величины потока или облученности неадекватно описывает поведение фоторезистора при освещении, особенно в случае сильного изменения собственного сопротивления. С другой стороны, исследование ряда промышленных фотосопротивлений показало, что линейный характер роста фотопроводимости сохраняется в значительно более широком диапазоне засветок, чем линейность для зависимости изменения сопротивления. На основе этого нами впервые показано, что постоянство коэффициента преобразования в широком диапазоне засветок может быть реализовано за счет обеспечения постоянного напряжения смещения на фоторезисторе в процессе работы.

Для этого могут использоваться нестандартное включение фоторезистора или дополнительное устройство, компенсирующее уменьшение напряжения смещения за счет увеличения напряжения питания в традиционных схемах. При этом в большинстве случаев автоматически снимается влияние нестабильности источника питания и его шумов.

Примером реализации способа является фотоприемное устройство, схема которого представлена на фиг. 2. Оно содержит собственно фоторезистор R_ф, операционный усилитель ОУ и резисторы R₁, R₂, R_ос. Для выбора напряжения смещения U_см ≤ (P_max• R_min)^1/2 определяется минимальное значение собственного сопротивления R_фmin при максимальной засветке Ф_max. Его величина задается падением напряжения на резисторе R₁ и определяется соотношением U_см = (U_п•R₁/(R₁+R₂). Для поддержания его постоянным вне зависимости от величины сопротивления R_ф используется известное свойство операционного усилителя поддерживать минимальную разность потенциалов между инвертирующим ("-") и неинвертирующим ("+") входами. В данном случае напряжение на входах ОУ равно (U_п - U_см). Для стабильной балансировки устройства по постоянному току и подавления синфазных помех по цепи питания целесообразно попарно уравнивать R₂ = R_ос и R_ф = R₁. Вольтовая чувствительность для такого фотоприемного устройства может быть представлена выражением
S_в = U_см•R_ос•α = R_ос•α•{U_п•R₁/(R₁+ R₂)} ,
где
α - отношение приращения проводимости Δσ = σ_ф- σ_т = α•ΔФ к приращению потока ΔФ, a σ_ф = 1/R_ф и σ_т = 1/R_т - соответственно проводимости освещенного и неосвещенного фотосопротивления. Произведение U_см•α представляет собой токовую чувствительность, которая в отличие от фотодиодов или фотоэлементов прямо пропорциональна напряжению смещения. Другое преимущество схемы состоит в том, что она сочетает в себе функции нагрузочной цепи и предварительного усилителя.

Предложенный способ может быть полезен для измерений с помощью болометров и терморезисторов с большим диапазоном изменения собственного сопротивления.

Использование: изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для построения фотометрических и радиометрических приборов различного назначения, содержащих фотоприемное устройство на основе фоторезисторов. Сущность изобретения: в способе измерений потока излучения, включающем подачу напряжения питания на цепь включения фоторезистора и регистрацию сигнала, пропорционального потоку излучения, оценивают минимальную величину сопротивления освещенного фоторезистора, подают на него напряжение смещения исходя из допустимой величины рассеиваемой электрической мощности, а в процессе воздействия полезного или фонового излучения на площадку фоторезистора напряжение смещения на ее собственном сопротивлении поддерживают постоянным. Техническим результатом является линеаризация световой характеристики фоторезистора и повышение точности измерений в широком диапазоне уровня регистрируемого сигнала и фоновых засветок. 2 ил.

Способ измерений потока излучения, включающий подачу напряжения питания на цепь включения фоторезистора и регистрацию сигнала, пропорционального потоку излучения, отличающийся тем, что оценивают минимальную величину сопротивления освещенного фоторезистора, подают на него напряжение смещения исходя из допустимой величины рассеиваемой электрической мощности, а в процессе воздействия полезного или фонового излучения на площадку фоторезистора напряжение смещения на ее собственном сопротивлении поддерживают постоянным.