Основой оптических методов и устройств является наличие излучателя и оптически связанного с ним через среду фотоприемника. Излучение, создаваемое излучателем, пройдя через среду (воздух, вещество и т.д.), воспринимается фотоприемником. В этих методах и устройствах в качестве носителя информации используется оптическое излучение, не создающее электромагнитные помехи и не подверженное влиянию этих помех. Наличие такой особенности и простота приборной реализации создают предпосылки исследования и разработки различных устройств, основанных на применении оптического излучения [3].

Для построения измерителя влагомеров на полупроводниковых излучателях важнқм является свойство воды поглощать ИК – излучение определенной длины волны [4]. Все вещества и материалы обладает определенной гигроскопичностью и, следовательно, поглощают влагу из внешней среды. Анализ спектральных характеристик показал, что полосы поглощения лежат в пределах 0,76…0,97 и 1,19…1,94 мкм [5].

В таблице 1 приведены спектры поглощения воды и их принадлежность.

Из разных спектральных характеристик сухого вещества (рис. 1, кривая 1) и при влажности 9% Н_>2О (кривая 2) следует, что на длине волны 1,94 мкм вода обладает значительным поглощением [6]. В измерителе влажности на полупроводниковых излучателях в качестве опорного канала использованы светодиоды со спектрами излучения 2,2 мкм, а в качестве измерительного канал светодиоды со спектрами излучения 1,94 мкм).

Рис. 1. Спектры излучения светодиодов LED1, LED2 и спектральная чувствительность фотодиода PD24.

Разработаны светодиоды на основе полупроводникового соединения GaSb и его твердых растворов GaInAsSb и AlGaAsSb для измерения влажности хлопка – сырца. Светодиодные структуры изготовлены методом ЖФЭ и выращены на подложках GaSbn-типа проводимости, легированы Te до концентрации электронов 8·10^>17 см^>-3. Излучатели для измерения влажности хлопка-сырца состояли из активного слоя n – GaInAsSb (Eg = 0,51 эВ) толщиной 2—3 мкм и выращены на подложках n – GaSb а также легировались Te до концентрации носителей заряда 9·10^>17 см^>-3, широкозонный эмиттер p – AlGaAsSb, легирован германием до концентрации 5·10^>18 см^>-3 (рис.2).

Рис.2. Светодиод на основе GaSb для измерения влажности.

Светодиоды на основе полупроводникового соединения GaSb для измерения влажности хлопка – сырца, при температуре 24 ^>0С имели внешний квантовый выход фотонов 5,9 – 6,5% и оптическую мощность 3,9 мВт в постоянном токе.

Для максимального вывода оптического излучения использован корпус ТО-18 с параболическим отражателем, позволяющий сколлимировать излучение под углом 10—11о. На рис. 3 приведена конструкция ИК – светодиода:

Рис. 3. Светодиод с параболическим рефлектором: а) конструкция, б) спектры излучения, в) ВАХ (где:1 – светодиодный чип (1, 94 мкм), 2 – термохолодильник, 3 – светодиодный чип (2, 2 мкм), 4 – параболический рефлектор)

Светодиоды на основе двойной гетероструктуры GaAlAsSb/GaInAsSb/ GaAlAsSb, имели квантовый выход 5,8%, длину волны излучения 1,94 мкм для измерения влажности хлопка – сырца, на таблице 2 приведены её основные параметры.

Предложенной конструкции обеспечивается равные условия для двух кристаллов светодиода, таким образом устраняются временные и температурные нестабильности их основных параметров.

На рис. 3 приведена блок-схема цифрового измерителя влажности, которая состоит из следующих элементов: задающей генератор – ЗГ; триггер – Т; делитель частоты – ДЧ; дифференцирующие устройства – ДУ1, ДУ2; модулятор экспоненты – МЭ; эммитерный повторитель – ЭП; импульсный усилитель – ИУ; приемник излучения – ФП; малошумящий усилитель – МШУ; схема совпадения – СС; счетчик – СЧ; дешифратор – ДШ; индикатор – ИН; опорный светодиод – ИД1; измерительный светодиод – ИД2.