Введение к работе
Актуальность темы. Развитие современного промышленного производства и строительной индустрии характеризуется повышением требований к качеству выпускаемой продукции, выполнение которых позволяет обеспечить ее высокую конкурентоспособность по сравнению с зарубежными образцами Особая роль отводится фотоэлектрическим приборам, применяемым при вибрационном контроле промышленного оборудования, при прочностных испытаниях строительных конструкций, в области лазерной фотометрии, в системах охранно-пожарной сигнализации, в волоконно-оптических системах связи, в газовых и жидкостных хроматографах и т п
Независимо от областей применения, основными требованиями к любым фотоэлектрическим преобразователям являются обеспечение высокой чувствительности к контролируемым величинам, высокого быстродействия и линейности световой характеристики при минимальных аппаратурных затратах
Благодаря развитию технологии полупроводникового производства в последнее время на два-три порядка улучшены параметры фотодиодов темновой ток уменьшен до 1 5 нА, задержка срабатывания - до 1 4 не, а световая чувствительность повышена в 2 - 3 раза При этом схемотехнические способы преобразования фототока в напряжение остались практически на прежнем уровне Для получения линейной измерительной характеристики либо подают на фотодиод большое обратное напряжение через резистор нагрузки (работа в диодном режиме), либо включают фотодиод на входе усилителя с резистором в цепи отрицательной обратной связи, преобразующим фототок в напряжение (работа в режиме короткозамкнутой нагрузки) В итоге чувствительность фотопреобразователей ограничивается максимальными номиналами применяемых резисторов, увеличение которых приводит к повышению напряжения шума и снижению помехоустойчивости аппаратуры контроля
Учитывая высокие технические характеристики современных фотодиодов, существует реальная возможность повышения чувствительности фотодатчиков для обеспечения их работы в диапазоне наноамперного фототока Одним из возможных путей улучшения характеристик фотоприемников является применение автоматической коррекции аддитивной и мультипликативной погрешностей, используемой в прецизионной цифровой измерительной аппаратуре
Второй путь совершенствования аппаратуры фотоэлектрического контроля заключается в разработке новых способов, повышающих линейность характеристики преобразования механических перемещений в изменение фототока
Повышение качества выпускаемой продукции невозможно без совершенствования аппаратуры контроля, поэтому улучшение чувствительности, линейности и универсальности применения необходимо для фотодатчиков разного типа Этим и характеризуется актуальность темы исследований
Объектом исследования в работе являются средства фотоэлектрического контроля параметров механических перемещений и вибрационных колебаний
Предмет исследования - активные преобразователи механических перемещений в напряжение и частоту импульсов
Целью диссертационной работы является повышение чувствительности и линейности фотоэлектрического преобразования, позволяющего увеличить расстояние до объектов контроля и обеспечить универсальность применения фотодатчиков механических перемещений и вибрационных колебаний
К основным задачам исследований относятся
разработка преобразователей перемещений и вибрационных колебаний в модуляцию светового потока на основе лазерных излучателей и фотодиодов с разной формой светочувствительной поверхности для улучшения характеристик фотоэлектрических приборов допускового контроля,
теоретическое исследование высокочувствительных фотоэлектрических преобразователей на усилителях с комбинированной обратной связью,
разработка и исследование фотоэлектрических частотных преобразователей с автоматической коррекцией аддитивной погрешности, применяемой для уменьшения влияния фоновой засветки на достоверность результатов контроля механических перемещений;
разработка структурных схем построения и анализ инструментальных погрешностей фотоэлектрических преобразователей, применяемых для контроля параметров механических перемещений и вибрационных колебаний
Методы и средства исследований При решении диссертационных задач использовались методы математического и схемотехнического моделирования на ПЭВМ, теория погрешностей измерений, теория функций комплексного переменного, а также методы аппроксимации характеристик нелинейных элементов и законы геометрической оптики
Научная новизна работы заключается в следующем
разработан способ линейного фотоэлектрического преобразования механических параметров в электрические, основанный на законах лучевой оптики с учетом функциональной зависимости расположения источника излучения и объекта контроля, позволяющий повысить универсальность применения фото-нреобразовсіїелей механических перемещений,
разработан способ преобразования светового излучения в напряжение, частоту и скважность импульсов, основанный на законе Столетова, с последующим усилением сигнала и применением положительной и отрицательной обратных связей по указанным параметрам, позволяющий повысить чувствительность фотоэлектрических преобразователей механических перемещений,
разработаны оригинальные структуры фотопреобразователей с защиюй от внешней фоновой засветки, обеспечивающие стабилизацию начального уровня выходного сигнала и линейность преобразования механических перемещений в напряжение и частоту
Практическая ценность работы заключается в том, что на основе проведенных исследований разработаны и внедрены фотодатчики, применяемые для контроля вращения анода и стабилизации анодного тока рентгеновской лампы МЦРУ "Сибирь", и цифровой прибор для автоматического контроля качества светодиодов различного типа в технологическом цикле их производства
Разработаны и экспериментально исследованы фотоэлектрические преобразователи, реализованные на фотодиодах, микромощных усилителях и КМОП логических элементах, которые характеризуются минимальным энергопотреблением и обеспечивают высокую достоверность результатов контроля Данные преобразователи предназначены для использования в аппаратуре фотоэлектрического контроля качества современных изделий в производственных условиях
Реализация и внедрение результатов исследований
В результате исследований разработаны высокочувствительные фотодатчики, которые используются в малодозной цифровой рентгеновской установке, выпускаемой на ЗАО "Научприбор", (г Орел) Цифровой фотоэлектрический прибор внедрен на предприятии АО "Протон-импульс" (г Орел) для технологического контроля качества светодиодов, а полученные научно-технические результаты используются в учебном процессе Академии ФСО России
Апробация и публикации результатов работы
Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований обсуждены на Международной научной конференции "Приборостроение -2005" (г Мисхор), на Всероссийской научно-технической конференции в ОрелГТУ (2005, г Орел), на XII Всероссийской научно-технической конференции "Новые информационные технологии в научных исследованиях и в образовании" (2007, г Рязань), на 33-й Всероссийской научно-технической конференции "Сети, системы связи и телекоммуникации" (2008, г Рязань), на I Всероссийской научно-технической конференции "Информтех-2008", г Курск
Структура и объем работы
