Устройство для измерения концентрации вещества, связанного с основным материалом Советский патент 1989 года по МПК G01N21/25 

Изобретеиие относится к приборам неразрушающего технологического контг роля материалов, а именно к приборам для измерения концентрации одного вещества, содержащегося в другом (основном), в частности для определения концентрации влаги в движ-ущемся полотне из бумаги или ткани.

Цель изобретения - повышение чувствительности при упрощении и уменьшении габаритов устройства путем электрооптической автомодуляции излучения на длине волны одного из источников

На чертеже изображена блок-схема устройства.

Устройство содержит источник 1 излучения с длинами волн А, и Х, модулирующий р-п-переход 2, включенный в обратном направлении, фоторезисто з 3, первый источник 4 питания, исследуемый материал 5, фотодетектор 6, средство 7 сравнения, усилитель 8, регистрирующий прибор 9 и второй источник 10 питания.

Элементы 2-4 образуют электрооптический атомодулятор. Излучение с длиной волны чувствительно к основному материалу и не подвержено электрооптической модуляции при прохождении ч ерез р-д-переход 2. Модулирован- ное излучение с длиной волы А, чувСП

о

Од

00

со

3150

ствительно к измеряемому веществу. Частота модуляции зависит от постоянной времени С RG) последовательной цепи из р-п-перехода 2 и фото- резистора 3, ее можно регулировать, включая в цепь питания фоторезистора 3 дополнительные резистор R и конденсатор С,

Устройство работает следующим об- разом.

Пучок излучения источника 1 с длинами волн -Х, и А., } (напримеру от . лампы накаливания с фильтрами, питание которой осуществляется постоян- ным током) падает на второй - модулирующий р-п-переход 2 (например, из GaAs) со стороны одной из его областей. Одна часть излучения, прошедшего через р-п-переход 2 (70%), направлена на контролируемый материал 5, другая - на фоторезистор 3 (например, из Si), Сопротивление фоторезистора З.в темноте.составляет - (f Ом, на свету R 10 - 100 Ом,

В начальный момент времени, когда фоторезистор 3 не освещен, большая часть напряжения источника 1р питания приложена к этому фоторезистору, Падение излучения с длиной волны Д, на фоторезистор 3 приводит к уменьше нию его сопротивления примерно в 10 - 10 раз. Благодаря этому происходит перераспределение напряжений между р-п-переходом 2 и фоторезистором 3 таким образом, что практически все напряжение источника 10 питания (порядка 200В) прикладьшается к р- п-перехрду, смещенному в обратном направлении.

Сильное электрическое поле во втором - модулирующем р-п-переходе 2 приводит к размытию края поглощения, полупроводникового материала. Как показывает теория, это происходит потому, что при наложении электрического поля края разрешенной зоны полупроводника размываются на величину

ЬЕ

|(е),

(I)

е - заряд электрона;

- напряженность электрического поля;

ti - постоянная Планка; т - эффективная масса электрона в полупроводнике.

0 5

0 5 0

5

0

5

В результате становится возможным поглощение квантов излучения, энергия которых меньше ширины запрещенной зоны полупроводника En на величину iK. Зная, что граничная длина волны и Kj связаны зависимостью Агр 1,24/Еа, можно отметить , что Tv 1 должна оыть не больше величины J/(Ka -АЕ),

Указанный эффект Франца-Келдыша ; проявляется в сдвиге края оптического поглощения полупроводника в сторону более длинных волн по мере увеличения напряжения, приложенного к нему.

Так№1 образом, при приложении к модулирующему р-п-переходу 2 электрического поля (напряжения источника 10 питания) излучение с длиной волны А, не проходит через материал элемента 2, а значит попадает на фоторезистор 3, При этом сопротивление фоторезистора 3 резко увеличивается (время переключения обусловлено в основном постоянной времени RC-цепи р-п-переход-источник питания-фоторе- зистор). Увеличение сопротивления фо-ч) торезистора 3 приводит к перераспределению напряжения источника 4 питания таким образом, что большая часть его оказьгоается приложенной к фото- резистору. Такая ситуация ведет к снятию размытия края -разрешенной зоны на ЛЕ;И, следовательно, к пропусканию излучения с длиной волны через р-п-переход 2, а значит, к падению этого излучения на фоторезистор 3, Это, в свою чередь, обуславливает снижение сопротивления фоторезистора 3, приложение напряжения питания к модулирующему р-п-переходу 2, непропускание излучения с длиной волны , через р-п-переход 2 на фо- торезистор 3 и т,д,

Таким образом, осуществляется периодическая, близкая к прямоугольной, модуляция интенсивности излучения с длиной волны Л,, Длина волны J А, выбирается вдали от А . так, чтобы изменение К. на величину U Е не сказьшалось на характере ее прохождения через р-п-переход 2,

В исследуемом материале 5 излучение с длиной волны А, частично и селективно поглощается водой (или другим веществом, связанным с основным материалом), а излучение с длиной волны Ji селективному поглощению не подверженов

1509683

Интенсивность излучения на длине волны 7 должна на 5-6 порядков превышать интенсивность фона на этой

ст

Упрощение и снижение габаритов кон- при частотах модуляции

10 струкцин

1 о Гц достигается за счет замены но-.

Изобретение относится к оптико-электронным приборам неразрушающего технологического контроля материалов, в частности к приборам для определения концентрации влаги в движущемся полотне из бумаги или ткани, и позволяет упростить устройство и повысить точность измерения путем использования двух узких интервалов в спектре излучения единственного источника и последующей электрооптической автомодуляции излучения на длине волны одного из этих интервалов. Для этого устройство содержит модулирующий P-N -переход и управляющий фоторезистор, установленные друг за другом по ходу излучения между источником излучения и исследуемым материалом, включенные последовательно в электрическую цепь так, что P-N -переход смещен в обратном направлении, причем фоторезистор установлен таким образом, что перекрывает пучок излучения лишь частично. 1 ил.

же длине волны, что технически доволь-с интенсивности излучения комно легко обеспечить.

Выбор рабочей точки первого - сравнивающего р-п-перехода средства 7 сравнения и настройка прибора производятся таким же образом.

Можно показать, что выражение для переменного напряжения, падающего на сравнивающем р-п-переходе средства 7 сравнения, имеет ввд

kT

и,

вых

..

i

(2)

15

пактным электрооптическим автомодулятором, входящим в состав предложенного устройства,

JQ Формула изобретения

Устройство для измерения концентрации вещества, связанного с основным материалом, включающее источник излучения с двумя длинами воли, на одной из которых излучение чувствительно к определяемому веществу, на другой. - к основному материалу, блок модуляции излучения, чувствительного к определяемому веществу, фотодетектор, в цепь нагрузки которого включено средство сравнения на первом Р-П-переходе, смещенном с помощью первого источника питания в прямом направлении, последовательно включенные усилитель и регистрирующий прибор, причем выходу средства сравнения подключен к входу усилителя,

где k - постоянная Больцмана;

Т - абсолютная температура,

I

В свою очередь

и,

(ЫУ V

Р5А

+ Р

W, (3)

C«jX

де Pg, - масса воды, содержащейся в

исследуемом материале; - масса абсолютно сухого материала;

W - влажность материала. Из выражений (2),(3) следует, что g,j несет в себе информацию о влажв

а.

ности исследуемого материала.

Осуществление автомодуляции интенсивности источиика излучения в предложенном устройстве с частотой порядка 10 - 10 Гц расширяет возможности концентратомера, прежде всего с точки зрения уменьшения влияния v схемных шумов на чувствительность измерений и исследования быстропроте- кающих процессов в испытываемом материале ,

пактным электрооптическим автомодулятором, входящим в состав предложенного устройства,

JQ Формула изобретения

5

Устройство для измерения концентрации вещества, связанного с основным материалом, включающее источник излучения с двумя длинами воли, на одной из которых излучение чувствительно к определяемому веществу, на другой. - к основному материалу, блок модуляции излучения, чувствительного к определяемому веществу, фотодетектор, в цепь нагрузки которого включено средство сравнения на первом Р-П-переходе, смещенном с помощью первого источника питания в прямом направлении, последовательно включенные усилитель и регистрирующий прибор, причем выходу средства сравнения подключен к входу усилителя,

0

5

отличающееся тем, что, с целью пoвьшJeния чувствительности при упрощении и снижеиии габаритов устройства, блок модуляции выполнен я виде автомодулятора, содержащего последовательно включенные второй р-п-переход, управляющий фоторезистор и второй источник питания, при этом второй р-п-переход смещен с помощью второго источника питаиия в обратном направлении, а фоторезистор установлен за вторым р-п-пере- ходом в проходящем потоке излучеиня с частичным его перекрытием.