Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Фотодіод.
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Не вказано
Кафедра:
Не вказано
Інформація про роботу
Рік:
2010
Тип роботи:
Розрахункова робота
Предмет:
Сенсори для випробувальних систем
Група:
МС – 31
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ «ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА»
Курсова робота
З дисципліни «Сенсори для випробувальних систем»
На тему:
«фотодіод»
Виконав:
ст. гр. МС – 31
Перевірив:
Ванько В. М.
Львів – 2010
Розв"язування задач.
Приклад 1. Розрахувати схему температурної параметричної компенсації від впливу оточуючої температури реального фотодіода немометричного чутливого елемента лічильника газу, якщо за даними експериментальних досліджень мультиплікативне зменшення вихідного сигналу чутливого елемента становить 2,5 % на кожних 20(С зростання оточуючої температури, а значення вихідного сигналу чутливого елемента при 20(С оточуючої температури становить Uc=49,13 мВ при постійному значенні внутрішнього опору Ro=150 Ом.
Розв"язування.
1.Визначимо коефіцієнт мультиплікативного зменшення вихідного сигналу чутливого елемента при збільшенні оточуючої температури на 1( С за формулою:
, (1)
де р=0,0006.
Отримаємо: п=0,9994. Мультиплікативного зменшення вихідного сигналу чутливого елемента при збільшенні оточуючої температури покажемо на графіку, рис. 1.
Рис. 1. Залежність вихідного сигналу від вимірюваного параметра Х при збільшенні оточуючої температури на 1(С.
2. Вибираємо таку схему спряження з чутливим елементом, яка забезпечувала б збільшення вихідного сигналу в 1/n раз. Оскільки умовою задачі задана параметрична компенсація, використаємо температурно залежний шунт з додатнім температурним коефіцієнтом опору. Схема спряження приведена на рис. 2.
Рис. 2. Схема спряження і температурної параметричної компенсації від впливу оточуючої температури для фотодіода немометричного чутливого елемента
3. Для приведеної схеми можна записати, що:
; (2)
З виразу (2) видно, що для компенсації зменшення Uc в п раз, необхідно в n раз зменшити знаменник даного виразу. Тобто, з:
; (3)
отримаємо рівняння:
, (4)
Підставивши значення шунтуючого опору при двох заданих оточуючих температурах t=41( C і t=40( C:
,
; (5)
де Rt0 - значення шунтуючого опору при t=0( C, рішаючи рівняння (4), знайдемо:
, (6)
Вибравши матеріал мідного шунта з температурним коефіцієнтом опору (=0.00427 1/( С, отримаємо за формулою (6):
(Ом) .
Знаходимо значення опору шунта при оточуючій температурі 40( С:
(Ом);
Вибираємо значення шунта з огляду його технологічності Rt=40=724 Ом.
4. Зробимо оцінку ефективності рекомендованої температурної компенсації. Для цього порівняємо температурну похибку, що мала місце до компенсації і після неї.
Значення опору шунта при оточуючій температурі 50( С становитиме:
(Ом).
За формулою (2) знайдемо значення сигналів чутливого елемента при двох заданих оточуючих температурах t=40( C і t=50( C:
(мВ);
(мВ).
Похибку знайдемо за формулою:
; (7)
Тобто:
.
5. Висновки: 1). До компенсації температурна похибка становила 2,5 % на кожних 20( С зростання оточуючої температури, а після параметричної компенсація похибка зменшилась більше, ніж на -0,031%.
2). Наявність знака "мінус" наголошує на недокомпенсації приведеної схеми спряження. Номінальна статична характеристика чутливого елемента зі зростанням оточуючої температури буде зменшувати своє значення. Новоутворені номінальні статичні характеристики займатимуть положення кривих А, приведених на рис.1.
3). Недоліком приведеної схеми є зменшення чутливості чутливого елемента на 15 % ((49,13-40,7)/49,13).
Приклад 2. Зберігаючи дані попередньої задачі і враховуючи недоліки параметричної компенсації, розрахувати схему температурної структурної компенсації від впливу оточуючої температури реального фотодіода немометричного чутливого елемента.
Розв"язування.
1.Визначимо коефіцієнт мультиплікативного зменшення вихідного сигналу чутливого елемента при збільшенні оточуючої температури на 10( С за формулою:
, (8)
де р=0,006.
Отримаємо: п=0,994.
2. Знайдемо значення сигналу при 50( С як
(мВ), (9)
3. Вибираємо структурний метод компенсації з метою збільшення отриманого в п.2 сигналу в 1/n разів. Схема спряження приведена на рис. 3.
Рис. 3. Схема спряження і температурної структурної компенсації від впливу оточуючої температури для фотодіода немометричного чутливого елемента
Вихідний сигнал схеми спряження визначатиметься за формулою:
, (10)
де Rt - температурно залежний резистор з додатнім температурним коефіцієнтом опору. Як видно з формули (10), зменшення Uc при зростанні температури буде компенсуватись ростом опору зворотного зв"язку (Rt+R2) операційного підсилювача.
5. Для вибору температурного коефіцієнта ( для опору зворотного зв"язку (Rt+R2) спочатку розглянемо варіант схеми при відсутньому R2. Тоді з виразів (9) і (10) з огляду на (5) можна записати, що:
, (11)
Рішаючи рівняння відносно (, отримаємо:
, (12)
Підставивши числові значення, знаходимо необхідний додатній температурний коефіцієнт опору (:
(1/( С) ( 0,00427 (1/( С).
Оскільки отриманий необхідний додатній температурний коефіцієнт опору ( є значно меншим, ніж температурний коефіцієнт мідного опору, то його чутливість повинна бути зменшена при допомозі резистора R2.
6. Використовуючи схему спряження в приведеному на рис. 3 вигляді, вираз (11) буде представлений як:
, (13)
Рішаючи рівняння (13) відносно R2, отримаємо:
, (14)
Вибираємо значення Rt0 - температурно залежного резистора з додатнім температурним коефіцієнтом опору з огляду його технологічності за аналогією попередньої задачі : Rt=40=72,000 Ом. Значення температурно залежного резистора при оточуючій температурі 50( С становитиме:
(Ом).
Підставивши числові значення у формулу (14), отримаємо:
(Ом).
Даний резистор повинен бути прецизійним. Тому вибираємо на підставі довідникових даних R2=3678 Ом, як: С2-29В-0,125-3678 Ом.
Наступні елементи схеми спряження розраховуємо з огляду рівності сигналів:
(мВ),
що досягається при:
, (15)
Тобто, з виразу (15) знаходимо значення резистора R1 , що разом з іншими резисторами задає коефіцієнт перетворення схеми спряження:
(Ом).
Даний резистор теж повинен бути прецизійним. Тому вибираємо на підставі довідникових даних R1=4402 Ом, як: С2-29В-0,125-4402 Ом.
8. В якості операційного підсилювача вибираємо мікросхему з малим температурним дрейфом, наприклад, КР 140 УД17.
9. Зробимо оцінку ефективності рекомендованої температурної компенсації. Для цього порівняємо температурну похибку, що мала місце до компенсації і після неї.
Вихідний сигнал схеми спряження визначатиметься за формулою (10). За цією формулою знайдемо значення сигналів на виході схеми спряження при двох заданих оточуючих температурах t=40( C і t=50( C:
(мВ);
(мВ);
Похибку знайдемо за формулою (7):
.
Незначна температурна недокомпенсація може бути ще зменшена шляхом підвищення чутливості схеми, тобто достатньо незначно зменшити R2 . Наприклад, при R2=3673 Ом, як: С2-29В-0,125-3673 Ом матимемо (Ом);
(мВ);
,
що відповідатиме перекомпенсації такого ж самого рівня. Тому рекомендується вибрати: R2=3675Ом і R1=4399 Ом.
10. Висновки: 1). В результаті запропонованої структурної компенсації температурна похибка, яка становила 2,5 % на кожних 20( С зростання оточуючої температури, зменшилась до значень, які не перевищують (0,022 % .
2). Номінальна статична характеристика чутливого елемента разом з схемою спряження зі зростанням оточуючої температури не повинна змінювати своїх значень. Новоутворені номінальні статичні характеристики займатимуть положення номінальних статичних характеристик чутливого елемента.
3). Недоліком приведеної схеми є зменшення її надійності, що викликано ускладненням схеми спряження.
Приклад3. Розрахувати параметричну компенсацію від впливу атмосферного тиску на реальний оптоелектронний чутливий елемент давача маси, номінальна статична характеристика (НСХ при тискові р=760 мм рт. ст.) якого визначається за формулою , якщо за даними експериментальних досліджень отримали наступні значення вихідного сигналу при тискові р=780 мм рт.ст.:
(. нм
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
Uс, мВ
0,157
0,443
1,062
2,250
4,306
7,524
12,150
18,682
Розв"язування.
1.Знайдемо значення НСХ за заданою в умові задачі формулою; знайдемо похибки на виході чутливого елемента як:
, (1')
оцінемо чутливість як:
, (2')
та знайдемо похибки, приведені до входу чутливого елемента як:
, (3')
Ті та інші розрахункові дані записуватимемо в табл. 1.
Таблиця 1
(, мг
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
Uc, мВ
0,157
0,443
1,062
2,250
4,306
7,524
12,150
18,682
, мВ
0,216
0,343
0,512
0,729
1
1,331
1,718
2,197
мВ
-0,059
0,1
0,55
1,521
3,306
6,193
10,432
16,485
мВ/мг
24
28
32
36
40
44
48
52
((, мг
-0,002
0,004
0,017
0,042
0,083
0,141
0,217
0,317
()сер, мВ
4,816
, мВ
-4,659
-4,373
-3,754
-2,566
-0,51
2,708
7,334
13,866
, мВ
-4,875
-4,716
-4,266
-3,295
-1,51
1,377
5,616
11,669
, мг
-0,203
-0,168
-0,133
-0,092
-0,038
0,031
0,117
0,224
2.Визначимо характер зміни вихідного сигналу чутливого елемента при дії атмосферного тиску шляхом рішення системи рівнянь:
, (4')
, (5')
де і - значення вихідних сигналів НСХ чутливого елемента в точках відповідно (1 і (2 (при тискові р=760 мм рт. ст.);
і - значення вихідних сигналів чутливого елемента в точках відповідно (1 і (2 (при тискові р=800 мм рт. ст.);
k і Uc0 - відповідно мультиплікативна та адитивна корекції.
Для визначення числових значень корекцій виберемо дві характерні тачки НСХ, наприклад: (1=600 мг і (2=1300 мг. За приведеним зразком складемо систему рівнянь:
, (6')
, (7')
Рішаючи систему рівнянь відносно шуканих корекцій, знаходимо:
k=8,028;
Uc0=-1,577 мВ
Оскільки коефіцієнт мультиплікативної корекції є близьким до 1, то в даному випадку обмежуємось тільки адитивною корекцією. Останню порівняємо з середнім значенням похибки на виході чутливого елемента, яка приведена в табл.1. Це значення з протилежним знаком використаємо в якості поправки при адитивній корекції.
3.Подамо геометричну інтерпретацію НСХ та її зміну під дією впливаючого тиску, рис.4.
Рис. 4. Залежність вихідного сигналу від вимірюваного параметра m
під дією впливаючого тиску.
4.Вибираємо одну з можливих схем адитивної корекції, рис. 5. Для адитивної корекції вибрана мостова схема, де в одному з плечей використаний фотодіод Rp, чутливий до впливу атмосферного тиску.
Рис. 5. Схема спряження і параметричної компенсації від впливу атмосферного тиску на чутливий елемент давача маси.
Напруга на виході мостової схеми виражатиметься як:
, (8')
Зміну цієї напруги під впливом атмосферного тиску знайдемо шляхом диференціювання виразу (8'). Отримаємо:
, (9')
Вказане значення цієї зміни, сумуючись з вихідним сигналом, повинно забезпечувати компенсацію від впливу атмосферного тиску. Знак цієї поправки повинен бути від'ємним, тобто сигнал на виході схеми спряження матиме вигляд::
, (10')
6. Виберемо значення резисторів мостової схеми: R1=R2=R3=10 Ом, фотодіод, що виражається формулою:
, (11')
для якого Rh=760=50 Ом при (=0,02 1/мм рт.ст.
Використовуючи формули (9') і (11'), знаходимо напругу живлення мостової схеми:
, (12')
При р=800 мм рт.ст. для повної компенсації впливу тиску необхідною умовою є рівність:
, (13')
В результаті отримаємо:
(мВ) 7. Установивши Е=86,93 мВ, за формулою (10') знаходимо, що:
(мВ)
Отримані результати записуємо в табл.1. Похибки від неповної компенсації знаходимо за формулою (3').
8. Побудуємо новоутворену залежність вихідного сигналу при зміні атмосферного тиску, див. рис.4.
9. Висновок: В результаті запропонованої компенсації найбільша похибка, яка становила 0,224 мг при зростанні атмосферного тиску на 20 мм рт.ст., зменшилась до
-0,203 мг, тобто майже в 1,103 разів.
Приклад 4. Досліджено, що на чутливий елемент давача інтенсивності випромінювання (фотодіодної батареї) впливають два фактори: оточуюча температура та вологість середовища, в якому перебуває чутливий елемент. Подати схему параметричної компенсації від впливу цих факторів та результуючий вихідний сигнал схеми спряження, якщо за даними експериментальних досліджень мультиплікативне зменшення вихідного сигналу чутливого елемента під дією температури становить 2,5 % на кожних 20( С зростання оточуючої температури при адитивному температурному збільшенні значення вихідного сигналу на 40 мкВ та при адитивному зменшенні вихідного сигналу на 35 мкВ під незалежною дією зростання вологості на кожних 20 %.
Розв"язування.
1. Мультиплікативне зменшення вихідного сигналу чутливого елемента давача випромінювання (від НСХ - крива 1) при збільшенні оточуючої температури покажемо на графіку у вигляді кривої 2, рис. 6. При адитивному температурному збільшенні значення вихідного сигналу на 50 мкВ матимемо криву 3.
Рис. 6. Залежність вихідного сигналу від вимірюваного параметра Х чутливого елемента давача випромінювання при сукупній незалежній дії оточуючої температури та вологості.
2. Вибираємо таку схему спряження з чутливим елементом, яка забезпечувала б послідовну зворотну дію вказаних впливаючих факторів на вихідний сигнал. Схема спряження з параметричною компенсацією приведена на рис. 7.
Рис. 7. Схема спряження і параметричної компенсації від впливу оточуючої температури та вологості чутливого елемента давача випромінювання.
3. Для приведеної схеми спряження вихідний сигнал може бути поданий у вигляді наступної формули:
, (14)
4. Для знаходження елементів схеми спряження та похибок від неповної компенсації використовуватимемо послідовність рішення попередніх задач.
Опір на виході мостової схеми виражатиметься як:
(15)
Зміну цього опору під впливом атмосферного тиску знайдемо шляхом диференціювання виразу (15). Отримаємо:
(16)
Підставивши числові значення у формулу (14), отримаємо:
Приклад 5. Для проведення повірки робочого електронного динамометра на діапазон вимірювання (600-1300) нм використовується робочий чутливий ДГ-13 елемент, однотипний зі зразковим чутливим ДГ-17 елементом на діапазон вимірювання (1100-1700) нм При заданих їх номінальних статичних характеристиках (НСХ) і допустимій похибці 0,7 % знайти розрахункову НСХ робочого чутливого елемента ДГ-13 методом екстраполяції до 1100 нм. НСХ приведені у вигляді таблиці:
(. нм
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
1700
UДГ-13, мВ
0,157
0,443
1,062
2,250
4,306
7,524
12,150
18,682
UДГ-17, мВ
2,608
4,246
6,569
9,716
13,800
18,920
17,092
Розв"язування.
Подамо на графіках задані НСХ, рис. 8:
Рис. 8. Залежність вихідного сигналу чутливого елемента
електронного динамометра від вимірюваного тиску.
2. Вибираємо найдостовірніші точки в діапазоні перекриття для заданих НСХ. Нехай такими точками будуть наступні точки: (1=1100 нм і (2=1300 нм. Визначимо характер зміни вихідного сигналу робочого чутливого елемента ДГ-13, використовуючи адитивну і мультиплікативну корекцію зразкового чутливого елемента ДГ-17 шляхом рішення системи рівнянь:
, (15)
, (16)
Рішаючи систему рівнянь відносно шуканих корекцій, знаходимо:
k=2,817;
Uc0=0,177 мВ
3. Розрахункову НСХ робочого чутливого елемента ДГ-13 знаходимо методом її екстраполяції до високих значень тисків за формулою:
,(мВ) (17)
Чутливість S визначаємо за НСХ для кожної з точок, в яких знаходиться похибка апроксимації:
, (18)
Відхилення апроксимованих значень від НСХ визначається як:
, (19)
Абсолютна похибка апроксимації визначається в кожній точці як ((=(U/S, а відносна як (=[((U/S)/ (](100%.
4. Отримані результати занесемо в табл.2.
Таблиця 2
(. нм
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
1700
UДГ-13, мВ
0,157
0,443
1,062
2,250
4,306
7,524
12,150
18,682
UДГ-13,апр мВ
27,547
39,052
53,475
48,325
UДГ-13,пер мВ
7,524
12,138
18,682
(U, мВ
0
-0,012
0
S, мВ/гПа
0,020
0,036
0,045
((, гПа
0
-0,33
0
(, (
0
-0,028
0
5. Висновок: В результаті проведеної екстраполяції до високих значень вимірювання тиску найбільша похибка при адитивній і мультиплікативній корекції не перевищувала -0,01 %.
Висновок : В результаті виконання розрахункових та контрольних робіт з дисципліни «Сенсори для випробувальних систем» я набув знання, теорії і практики використання чутливих елементів і схем уніфікації при вимірюванні, контролі і технічній діагностиці з метою застосування набутих знань при інженерній практиці в різних галузях промисловості.
Використана література:
1. Методичні вказівки до лабораторної роботи №21: "Дослідження давачів тиску методом статичного навантаження". - ДУ ЛП, 1999, 10 с.
2. Методичні вказівки до лабораторної роботи №22: "Дослідження фотоелектричних сенсорів та вимірювальних перетворювачів на їх основі".- ДУ ЛП, 1999, 12 с.
3. Методичні вказівки до лабораторної роботи №24: "Дослідження номінальних статичних характеристик термопар, терморезистивних сенсорів і пірометричних перетворювачів за допомогою зразкового цифрового термометра". - ДУ ЛП, 1999, 11 с.
4. Методичні вказівки до лабораторної роботи № 26: "Дослідження оптичних сенсорів з метою адекватної заміни людського ока у візуальних засобах вимірювання". - ДУ ЛП, 1999, 12 с.
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора