МУ к л. р. Исследование фоторезисторных измерительных

Цель работы: Ознакомиться с конструкцией, принципом действия
фоторезисторных измерительных преобразователей положения (датчиков), по
результатам эксперимента исследовать их статические характеристики.
Общие положения
Фотоэлектрическими датчиками называются полупроводниковые приборы,
работа которых основана на изменении электрического режима под воздействием
лучистой энергии. В системах автоматики наибольшее распространение получили
фотодиоды и фоторезисторы (фотосопротивления).
Если фотодиод может работать в режиме фотогенератора, преобразуя
световую энергию в электрическую и вырабатывая ток, величина которого
пропорциональна освещенности, то фоторезистор (ФР) под действием света
меняет свое сопротивление. Оно тем меньше, чем больше освещенность ФР. В
результате этого меняется общее сопротивление электрической цепи и,
следовательно, ток Iф, протекающий по ней, зависит от освещенности, то есть
является фототоком:
Iф = Uп / Rфр+R, (1)
где Uп - постоянное напряжение питания цепи;
Rфр - сопротивление ФР;
R - постоянное сопротивление цепи;
Как видно из формулы (1), при увеличении освещенности ФР
уменьшается Rфр, а значит Iф - возрастает. Следовательно, фототок в цепи
пропорционален освещенности ФР.
Выходной сигнал фоторезистора обычно получают в виде напряжения,
снимаемого с постоянного сопротивления R, которое включено последовательно
с ФР, тогда
Uвых=Uфр= IфR
Из (2) видно, что
освещения ФР.
Uфр пропорционально Iф а значит также зависит от
Фоторезисторный датчик ФД, установленный в стенде ЛСА(рис.1),
информацию о взаимном расположении кареток К1 и К2 в блоках ИМ1 и ИМ2.
ФД состоит из фоторезисторов ФР, включенных в схему усилителей УФД.
Электрическая схема датчика ФД представлена на рис 1,а. Все элементы
этой схемы, кроме фоторезисторов R1 и R2, размещены в блоке ПУ.
Фоторезисторы RI и R2, являющиеся чувствительными элементами ФД,
установлены на каретке К1 в блоке ИМ1. Схема взаимного расположения
фоторезисторов R1 и R2 и лампочки «Маяк» изображена на рис. 1,6.
На этом рисунке точками O1 и О2 на оси координат каретки К1 обозначены
центры светочувствительных площадок S1 и S2 фоторезисторов R1 и R2, точкой
О - середина отрезка O1O2, точкой М - центр лампочки «Маяк». Векторами S1 и
S2 обозначены нормали площадок S1 и S2. Точками О1, О и О2 обозначены
проекции точек О1, О и О2 на ось координат X каретки К2.
Световые потоки Ф1 и Ф2, падающие на площадки S1 и S2, при изменении
взаимного расположения кареток KI и К2 будут изменяться как за счет
изменения расстояний О1M и О2М, так и за счет изменения углов падения лучей
на площадки S1 и S2 (β1 и β2). Если обозначить ОО1=ОО2=b, ОО’=h, О’М=Х-У=ε
и учесть, что площадки S1 и S2 для симметрии характеристики датчика должны
быть повернуты на углы Y1= -Y и Y2= Y, то величины световых потоков Ф1 и Ф2 могут
быть выражены следующими функциями:
Ф1 =Ф0h2[h cos Y- (ε+b) sin Y]/ [h2+(ε+b)2]3/2;
Ф2 = Ф0h2[h cos Y- (ε-b) sin Y]/ [h2+(ε-b)2]3/2 ,
(3)
где Ф0- наибольшее значение светового потока Ф, которое достигается при Y=0.
Графически эти функции имеют вид кривых линий (рис.2), пересекающихся при
ε =0 в точке А.
Анализ функций Ф1 и Ф2 показывает, что наибольшая чувствительность датчика
при е=0 достигается, если
tgY=(h2-2b2)/3bh, (4)
Так как размеры h и b жестко определены конструкцией стенда ЛСА (h=8см и
b=2,5см), то из формулы (4) можно определить оптимальное значение
Yопт=arc ((tg h2-2b2) )/3bh~41°.
Световые потоки Ф1 и Ф2, падая на фоторезисторы R1 и R2, вызывают
изменение их электропроводимости за счет внутреннего фотоэффекта по закону:
1/Rф=1/Rт+k0Ф, (5)
где Rф- сопротивление фоторезистора при действии потока Ф;
Rт - темповое сопротивление фоторезистора;
k0- удельная светочувствительность фоторезистора.
В ЛСА установлены фоторезисторы ФСД - 1. Для получения электрических
сигналов фоторезисторы R1 и R2 включены в электрические цепи, питаемые от
источника напряжения U0, последовательно со входами эмиттерных повторителей,
собранных на транзисторах Т4 и Т55 что дает возможность согласовать большое
сопротивление фоторезисторов с низкоомной нагрузкой, которая может
подключаться к клеммам «Uфд» Кл 7, Кл 8 (рис1,а). Коллекторные цепи
транзисторов Т4, Т5 питаются от источника напряжения U0. В эмиттерные цепи Т4
и Т5 включены резисторы R19, R20, R21, обеспечивающие нормальный режим
работы эмиттерных повторителей при отсутствии внешней нагрузки.
Параметры R19, R20, R21 выбраны таким образом, чтобы при ε =0 входные
сопротивления Rвх1 и Rвх2 эмиттерных повторителей были соответственно равны
сопротивлениям Rф1 и Rф2 фоторезисторов R1 и R2, что необходимо для получения
максимальной чувствительности датчика.
Напряжения Uфд1 и Uфд2, снимаемые с эмиттеров Т4 и Т5, примерно равны
напряжениям Uф1 и Uф2 на их базах, причем
Uф1=U0 Rвх1/ Rф1+ Rвх1 и Uф2= U0 Rвх2/ Rф2+ Rвх2.
(6)
Поскольку сопротивления Rф1 и Rф2 зависят от величины световых потоков Ф1 и
Ф2 которые являются от величин световых потоков Ф1 и Ф2, которые являются
функциями ε, то очевидно что и напряжения Uфд1 и Uфд2 являются в конечном счете
функциями рассогласования кареток ε.
Разность напряжений Uфд =Uфд1 - Uфд2 , также являющаяся функцией
величины ε, используется в ЛСА в качестве сигнала ошибки в системах,
обеспечивающих автоматическое слежение одной каретки.
Для того чтобы при ε =0 сигнал ошибки также был равен нулю, в стенде
ЛСА предусмотрена регулировка чувствительности (балансировка) каналов
выделения сигналов Uфд1 и Uфд2 , осуществляемая с помощью переменного
резистора R20.
Резистор R23, включенный в общую цепь питания транзисторов Т4 и Т5, позволяет
выделить сигнал Uф , пропорциональный сумме световых потоков Ф1 и Ф2,который
используется для управления схемой УЗФ. На рис.3 приведены статические
характеристики ФД.
В отличие от функций Ф1(ε) и Ф2(ε), изображенных на рис.6, функции Uфд1(ε) и
Uфд2(ε ) во всем диапазоне изменения ε не достигают нулевых значений, поскольку
даже при полном затемнении фоторезисторов R1 и R2 их сопротивления Rтl RT2 = ,
вследствие чего на базах транзисторов Т4 и Т5 имеются напряжения Uф1=0 и Uф2=0.
Описание лабораторной установки.
Лабораторная работа проводится на универсальном лабораторном стенде по
автоматике (ЛСА), который содержит следующие блоки:






источник питания - ИП
исполнительный механизм I - ИМ 1
источник питания - ЙП
исполнительный механизм I - ИМ 1
исполнительный механизм 2 - ИМ 2
панель управления - ГГУ
На лабораторном стенде (рис 4) два фоторезистора расположены на каретке К1
исполнительного механизма I (ИМ1). Каретка К1 перемещается относительно
лампочки Л расположенной на каретке К2 исполнительного механизма 2 (ИМ2).
Освещенность ФР1 и ФР2 зависит от их расстояния до источника света. Расстояние
до фоторезисторов определяется взаимным расположением кареток К1 и К2
Освещенность фоторезисторов зависит и от постоянных углов a1 и а2, под
которыми ФР1 и ФР2 развернуты к источнику света. Углы a1, а2 определяются как
углы между нормалями к поверхности фоторезисторов и направлению
перемещения каретки К1.
Программа работы
1. Изучение фоторезисторного датчика смещения ε.
2. Снятие характеристики датчика ФД1 на холостом ходу и под нагрузкой.
3. Снятие характеристики датчика ФД2 на холостом ходу и под нагрузкой.
4. Снятие характеристики фоторезисторного датчика смещения.
5. Обработка результатов эксперимента и составление отчета.
6. Сделать вывод как зависит освещенность фоторезисторов от расстояния до
источника света, от углов a1, а2, а также как зависит величина выходного
сигнала от сопротивления нагрузки
Методические указания к пунктам программы
1.
Результаты измерений выходных сигналов фоторезисторов заносятся в таблицу.
У(см)
ε(см)
Uфр1 при Rн=
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11
12
13
14
Uфр2 при Rн=
Uфр2 при Rн=
2 кОм
Uфр2 при Rн=
2 кОм
Выходной сигнал фоторезисторов измеряется в режиме холостого хода (Rн= )
при разомкнутом ключе КЛ (рис.4). В этом случае
Iн=Uвых/ Rн=0,
Откуда
Rн= Uвых/0
При замкнутом ключе КЛ сопротивление нагрузки устанавливается в
положение RН=2KOM.
Величина е =10-у определяет взаимное расположение кареток К1 и К2 (рис 5).
Каретка К2 неподвижна (ее координата Х=10 см), а каретка К1 движется
относительно нее (координата Y центра 0 каретки К1 меняется от 0 до 20 см).
1 .Изучить «Пояснения к работе», обратив внимание на электрическую схему
лабораторного стенда (рис. 1), на связи тока Iф и напряжения Uвых с
освещенностью ФР.
2. Рассмотреть рис.5, представить как будет изменяться освещенность ФР (а значит
и выходной сигнал) при изменении угла а. Выяснив это, необходимо на графиках
Uфр(ε) найти точки, где фоторезисторы будут расположены одинаково по
отношению к источнику света и сравнить выходные сигналы ФР1 и ФР2 в этих
точках. По величинам выходных сигналов определить какой из углов а1 и а2
больше.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Подготовка к работе
На блоке ИП переключатель «Контр.» поставить в положение «Uвх», ручки «Per Uк»,
«Per. Iк,» повернуть до отказа влево. Тумблеры пределов измерений вольтметра и
миллиамперметра поставить соответственно в положение 30 В.
На блоке ИМ2 ручкой «Ввод X» установить каретку К2 по оси «Смещение
X» в положение Х=10 см.
•
Выполнение работы
1. Снятие статической характеристики фоторезисторов в режиме холостого хода
(Rн=)
Проводником соединить клемму «U»x» на блоке ИП и клемму «Uфд1» на блоке
ПУ. Тем самым вольтметр подключается к точке 1 (рис.4) и выходное напряжение
снимается с первого фоторезистора.
На блоке ИП включить тумблер «U», при этом загорается лампочка «U» на
блоке ИП и лампочка «Поиск» на блоке ПУ. На измерительную схему (рис.4)
подается напряжение питания Un.
На блоке ИМ2 включить тумблер «Маяк». При этом на каретке К2
загорается лампочка, освещающая фоторезистор.
Перемещая каретку К на блоке ИМ1 с шагом 1 см снять зависимость
Uфр1=f1(y), используя показания вольтметра блока ИП. Результаты измерения
занести в таблицу.
2. Снятие статической характеристики нагруженного фоторезистора (Rн). На
блоке ИП переключатель «Контр.» поставить в положение «Ux». Включить
тумблер «Ux». Вторым проводником соединить клеммы «Общ.» и «Uвых. UK».
Тумблеры пределов измерений вольтметра и миллиамперметра поставить
соответственно в положение 3 В и 5мА. Ручкой «Per. Uк» установить
на
вольтметре напряжение 1В. Тем самым собрана схема, представленная на
рис.6.
Переменный резистор RН, движок которого соединен с ручкой «Per. Iк», является
сопротивлением нагрузки. Поскольку непосредственно величину сопротивления
нагрузки измерить нельзя, то она определяется косвенным путем, используя закон
Ома, по формуле
Iн=Uк/Rн=1/Rн,
рассчитать величину тока Iн, соответствующего Rн=2кОм.
На блоке ИП ручкой «Per. Iк» установить на амперметре ток, соответствующий
Rн=2кОм. После установки тока переключатель «Контр.» поставить в положение
«Uвх» Тумблеры пределов измерений вольтметра и миллиамперметра поставить в
соответствующие положения ЗОВ и 50мА.
Аналогичным образом перемещая ручкой «Ввод Y» каретку К1 на блоке ИМ1
снять зависимости Uфр1=f3(у), Uфр2=f4(у) при Rн=2кОм. Результаты измерений
занести в таблицу.
Обращать внимание с какой клеммой «Uфд1» или «Uфд2» соединен первый
проводник Данные заносить в строчку соответствующего фоторезистора.
Окончание работы
Каретки Kl, К2 на блоках ИМ1, ИМ2 установить в среднее положение. Выключить
на блоках все тумблеры.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ
1. Как зависит сопротивление фоторезистора от его освещенности?
2. Как фототок, протекающий через ФР зависит от его освещенности? Почему?
3. Как напряжение Uфр зависит от освещенности ФР? Почему?
4. Если а1~ а2, то какой вид будут иметь зависимости U фр1(ε), U фр2(ε)? Почему?
5. Для одного из исследуемых фоторезисторов нарисуйте график Iф(ε).
6. Для одного из исследуемых фоторезисторов нарисуйте примерный график
Ф(ε) (Ф - световой поток, падающий на ФР).
7. Что такое режим холостого хода? Как он достигается в данной
лабораторной работе? Почему?