Материал: Датчик регистрации пересечения створа ворот футбольным мячом

Рисунок 20 - Конструкция фотодиода (а), структура (б) и условное графическое обозначение фотодиода (в)

Основной элемент фотодиода - пластина из полупроводника внутри которой имеются области электронной (n-область) и дырочной (p-область) проводимости, разделенные электронно-дырочным р-n-переходом (контактом). Пластина размещена в корпусе, снабженном окном, прозрачным для измеряемого оптического излучения. В некоторых конструкциях фотодиода окно выполнено в виде собирающей линзы. За счет различия электрических свойств между названными областями пластины наблюдается контактная разность потенциалов (диффузионное поле), вызываемая диффузией дырок из р- области в n-область и наоборот - электронов из n-области в p-область. При этом n- и p-области приобретают соответственно положительный и отрицательный заряды. При освещении n-области в ней образуются новые носители заряда - электроны и дырки, что приводит к возникновению градиента концентрации носителя заряда в n-области.

Рисунок 21 - Процесс генерации свободных носителей заряда

Под действием этого градиента и при условии, что расстояние от места возникновения до р-n-перехода не превышает диффузионной длины носителя заряда, происходит диффузионное перемещение возникших носителей заряда от освещенной поверхности в глубь n-области. Здесь неосновные носители - дырки - переходят в р-область (обратный ток неосновных носителей), а электроны, для которых диффузионное электрическое поле р-n-перехода является запирающим, остаются в n-области. При постоянном освещении фотодиода в n-области накапливаются электроны, а в р-области - дырки.

Материалами для изготовления фотодиодов служат германий, кремний, арсенид галлия, антимонид индия и др. Спектральная чувствительность фотодиодов охватывает диапазон 0,4-20 мкм. Другие характеристики: площадь чувствительного слоя - 1-80 мм2; рабочее напряжение - 3-30 В; интегральная чувствительность - 3-30 мА/лм; постоянная времени - 10"3-Ю-7 с.

Промышленностью выпускаются охлаждаемые фотодиоды, а также фотодиодные линейки, содержащие от единиц до нескольких сотен фотодиодов.

Рисунок 22 - Частотные характеристики фотодиода на основе кремния р-типа (а) n-типа (б) при напряжении 1 - 0 В; 2 - 1 В; 3 - 4 В; 4 - 10 В; 5 - 100 В; 6 - 15 В; 7 - 150 В.

Существуют важные разновидности фотодиодов: p-i-n диоды - а, лавинные - б, гетерофотодиоды - в и др.

Рисунок 23 - Структура p-i-n, лавинного и гетерофотодиода

Гетерофотодиоды используют слоистую структуру из разных полупроводниковых материалов.

Преимущество этих трех реализаций состоит в том, что достигается высокая чувствительность при высоком быстродействии.

4.      
Анализ источников методических и инструментальных погрешностей выбранной схемы ПИП

Погрешность измерения - оценка отклонения измеренного значения величины от её истинного значения. Погрешность измерения является характеристикой (мерой) точности измерения.

4.1 Источники погрешностей от приемников излучения

Приемники излучения характеризуются чувствительностью. Для электронно-оптических преобразователей (ЭОП), фотоэлектрических и телевизионных приемников чувствительность характеризуют отношением силы возникающего фототока и падающего светового потока; для фотослоя -зависимостью плотности почернения D от логарифма экспозиции, причем экспозиция определяется как

Н = Е t, (6)

излучение измерение погрешность фотоэлектрический

где E - освещенность, создаваемая элементом оптического изображения на участке светочувствительного слоя; t - время действия данной освещенности - время экспозиции.

Данная зависимость выражается световой характеристикой фотоматериала (график которой - характеристическая кривая, Рисунок 15).

D = f (lg H). (7)

Длины волны излучения характеризует чувствительность. Практически каждый приемник работает в определенной зоне длин волн. Порог чувствительности - наименьшая яркость или освещенность объекта, на которую реагирует приемник. Недостаточная чувствительность приемника создает неблагоприятные условия, при которых оптических сигнал регистрируется на нелинейном (начальном) участке световой характеристики в условиях снижения контраста. В данном случае резко снижается отношение сигнала к шуму (для фотоматериала - это шум фотографической зернистости). И то, и другое вызывает повышение погрешностей измерений.

Рисунок 25 - Световая характеристика (характеристическая кривая) фотоматериала

Фотоэлектрические приемники излучения могут обладать инерционностью, характеризуемой временем между облучением и появлением тока в цепи или между исчезновением объекта и его изображения. Чувствительность зависит от частоты модуляции при восприятии модулированных световых сигналов.

Приемники, которые создают изображение объекта (приемники изображения), характеризуются разрешающей способностью - наименьшим расстоянием между двумя точками, которые еще воспринимаются приемником как раздельные. У ЭОП разрешающая сила в центре поля зрения порядка 40 мм--1 (или лин/мм), у фотоматериалов - порядка 90 мм-1. Имеются специальные эмульсии с разрешающей способностью до 1000 и даже до 2000 мм-1, но здесь сравнительно низкая светочувствительность. Разрешающая способность глаза на расстоянии наилучшего видения - около 10 мм-1. Контраст изображения, которое дает приемник, ограничивает реальную разрешающую способность системы.

Чувствительность и разрешающая способность приемника определяют уровень соответствующих погрешностей измерений.

Главное достоинство приборных приемников изображения в том, что они позволяют управлять яркостью, контрастом и четкостью видимого изображения и могут работать в условиях, находящихся за пределами чувствительности глаза. Такие приемники необходимы и при автоматизации оптических измерений, в том числе - для ввода данных в компьютер.

Достоинства оптических измерений, основанных на визуальных наблюдениях: простота, надежность, экономичность, оперативность, высокая производительность.

4.2 Погрешности от нестабильности условий измерения

При измерении могут меняться температура, давление, влажность воздуха, вибрации прибора. Особенно сильно на точности измерений могут сказаться температурные колебания и вибрации прибора. Для устранения ошибок контактных измерений от изменения температуры ответственные части прибора изготавливаются из того же материала, что и измеряемые объекты, или с близкими коэффициентами линейного расширения. Ответственные узлы приборов или все помещение термостатируются. Измеряемые детали должны длительное время выдерживаться перед измерением в данном помещении для выравнивания температур. На крупных оптических предприятиях для контроля астрономической и другой крупногабаритной оптики создаются специальные помещения (4).

Вибрации могут привести к неустойчивости установки, увеличению погрешностей и даже к невозможности измерения. Для борьбы с ними применяются фундаменты, не связанные со зданием, амортизация опор, демпфирование колеблющихся частей измерительной установки. Устранение влияния вибраций, особенно при измерении параметров крупногабаритных оптических деталей и систем, гораздо экономичнее осуществлять методом видеозаписи с последующей покадровой расшифровкой. Этот метод показал высокую эффективность и экономичность.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ показал, что для качественного мониторинга тренировочного процесса футболиста наиболее эффективно подходит фотоэлектрический датчик прямого луча, основанный на принципе внутреннего фотоэффекта.

На явлении фотоэффекта основано действие фотоэлектронных приборов, получивших разнообразное применение в различных областях науки и техники. В настоящее время практически невозможно указать отрасли производства, где бы не использовались фотоэлементы - приемники излучения, работающие на основе фотоэффекта и преобразующие энергию излучения в электрическую.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Аш Ж. Датчики измерительных систем. Кн.1. 1992. С.480

. Савельев И.В. Курс общей физики: Учеб. пособие. В 3-х т. Т. 3. Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц. - 3-е изд. испр. - М.: Наука, Гл. ред. физ. - мат. лит., 1987. - 275 с.

3. Г. Виглеб. Датчики: Пер. с нем. - М.: Мир, 1989. - 196 с, ил.

4. В.К.Кирилловский. Оптические измерения. Часть 1. Введение и общие вопросы. Точность оптических измерений. Учебное пособие. СПб. ГИТМО (ТУ). 2003.- 47с.