Фотоэлектрический датчик давления Советский патент 1990 года по МПК G01L11/00 G01L11/02 

&/./

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления.

Цель изобретения - расширение диапазона измерения и повышение чувствительности датчика.

На фиг.1 представлена конструкция датчикаj на фиг.2 - схема включения его элементов в электрическую цепь на фиг.З - позиционная характеристика фотоэлектрического датчика; на фиг.4 - эквивалентная электрическая схема датчика $ на фиг.З - семейство вольтлюксных характеристик фотобатареи при различных импедансах нагруз- ки на фиг.6 - загисимость фото-ЭДС фотобатареи от ось ценности (перемещения) .

В отверстие корпуса 1 вставлен подвижный шток 2, который передает .сосредоточенную силу па конец упругой консольной балки 3. К балке 3 прикреплен световод 4, посредством которого свет попадает от источника 5 излучения к фогоприемнику 6. Неподвижно закрепленная пластина 7 образует одну из обкладок конденсатора обратной связи С0. Второй обкладкой конденсатора обратной связи служит упруга} балка 4.

Под действием прикладываемой к штоку 3 силы в результате изгибающей деформации конец балки 3 вместе с концом световода 4 описывает з пространстве дугу. Луч света, выходящий из конца световода 4, перемещается по поверхности фоточувствительной области фотоприемника 6.

Фотоприемник б представляет собой нолевой транзистор со структурой металл - диэлектрик - полупроводник (МДП-транзистор) и батарею фотоэлементов, включенную в затворную цепь МДП- транзистора. Фото-ЭДС, возникаю щая на фотобатарее при освещении, управляет работой МДП-транзистора, выходной сигнал которого зависит от освещенности.

Зависимость выходного электрического сигнала от перемещения (позиционная характеристика) представлена на фиг.2.

Наиболее удобным для измерения является диапазон изменения перемещений, при котором выходной сигнал датчика близок к линейной функции l Bblx kx, где U аых - выходное напряжение,- х - перемещение; k - коэффициент. Диапазон линейного изменения выходного сигнала расширен путем включения между затвором и истоком МДП-транзистора конденсатора обратной связи Сс. При этом импеданс .нагрузки цепи, в которую включена фотобатарея, состоит из импеданса затвор - исток МДП-транзистора Z зм и

g импеданса емкости ос (фиг.З). Параметры емкости С0 и МДП-транзистора подобраны так, что выполняется соотношение Z ос « Z ,„. При освещении фотобатареи переменным световым потоком

5 фото-ЭДС,возникающая на фотобатарее, также является переменной величиной. Для переменной фото-ЭДС конденсатор С0 в цепи фотобатареи является шунтирующей нагрузкой, включенной параллель0 но затвору МДП-транзисгора. В этом случае фото-ЭДС, прилагаемая к затвору МДП-транзистора, определяется импедансом емкости С 0. На фиг.4 представлено семейство вольтлюксных ха5 рактеристик фотобатареи при разных импедансах нагрузки. Чем больше импеданс нагрузки в цепи фотобатареи, тем больше ее фото-ЭДС.

Под действием сосредоточенной силы

0 F происходит упругая изгибающая де- формация балки 3, что приводит к изменению освещенности фотоприемника 6

от некоторой минимальной величины Е

мин до максимальной Е . Емкость конденплО( кС

сатора Ср уменьшается от некоторой начальной С по С, ,„ , а импеданс растет от

М Ип

Z0 до ZMt1H . Вследствие нелинейного характера зависимости фото-ЭДС фотоба тареи от освещенности (U InE) вы0 ходной сигнал ВДП-фототранзистора также нелинейно зависит от освещенности и, следовательно, от перемещения (фиг.З). Подключение к затвору МДП-транзистора шунтирующего конден5 сатора С0 позволяет увеличить фото- ЭДС фотобатареи при уменьшении ее освещенности, чем достигается расширение линейного участка позиционной характеристики фотоприемника и увеличение чувствительности датчика.

0

Формула изобретения

Фотоэлектрический датчик давления, содержащий корпус, световод, источник света и передающий усилие элемент, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона измерения и повышения чувствительноети, он снабжен фототранзистором, выполненным в виде полевого транзистора типа металл - диэлектрик - полупроводник, в затворную цепь которого включена батарея фотбэлементов, в виде последовательно включенных р - n-переходов, а также снабжен установленной внутри корпуса консольной балкой, конец которой связан с передающим усилие элементом, и неподвиж и

о

/

Й-Й--

ной металлической пластиной, консоль- но закрепленной в корпусе, и расположенной параллельно балке, при этом фототранзистор установлен напротив торца световода, который по всей длине прикреплен к консольной балке, . причем в затворную цепь фототранзистора включена электрическая емкость, образованная консольной балкой и неподвижной металлической пластиной.

W

Изобретение может быть использовано в измерительной технике, в технологических системах контроля. Цель изобретения - расширение линейного диапазона выходного сигнала и повышение чувствительности датчика - достигается тем, что фотоэлектрический датчик, содержащий корпус с закрепленным на упругой балке 3 световодом 4 и источник 5 излучения, снабжен фототранзистором 6, представляющим собой МДП-транзистор с включенной в затворную цепь фотобатареей, состоящей из последовательно соединенных изолированных P-N-переходов, а также включаемым между затвором и истоком МДП-транзистора конденсатором обратной связи, меняющим свою емкость в зависимости от измеряемого давления. Конденсатор образован упругой балкой 3 и пластиной 7. Указанный конденсатор выполняет функцию нелинейной нагрузки для фотобатареи, управляющей работой МДП-транзистора, чем достигается расширение линейного диапазона и повышение чувствительности датчика в диапазоне измеряемого давления. 6 ил.

дг

им

Фив. 2

Фиг.З

-&№&-$

ФигМ

Фа. 5

Редактор Л.Пчолинская

Составитель А.Зосямов

Техред Л.Сердюкова Корректор т.ПапиЙ

Заказ 974

Тираж 462

ВНИ|ИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская иаб.„ д. 4/5

ас

эи

tt

Фиг.6

Подписное