7.5. Оптические датчики

После механических контактных и потенциометрических датчиков оптические детекторы возможно являются наиболее популярными устройствами для определения положения и перемещений объектов. Среди их основных достоинств можно назвать простоту, отсутствие нагрузочного эффекта и относительно большие рабочие расстояния. Они нечувствительны к паразитным магнитным полям и электростатическим помехам, что делает их незаменимыми для некоторых приложений. В состав оптического датчика перемещений, как правило, входят три компонента: источник света, фотодетектор и устройства, управляющие светом (линзы, зеркала, оптические волокна и т.л.). На рис. 4.17 и 4.18 главы 4 приведены примеры двух оптоволоконных датчиков приближения. Подобные датчики можно реализовать и без применения оптоволокон. В этих случаях свет направляется на объект при помощи фокусирующих линз, а возвращается назад к детектору при помощи отражателей. В настоящее время этот метод претерпел существенные изменения: за счет более сложных компонентов удалось улучшить избирательность, повысить помехозащищенность и надежность оптических датчиков.

7.5.1. Оптические мостовые схемы

Классическая концепция мостовых схем применима и к оптическим датчикам. На рис. 7.25 приведен пример построения мостового оптического датчика. Четырехквадрантный фотодетектор состоит из четырех детекторов света, соединенных в мостовую схему. Объект должен отличаться по оптической контрастности от окружающей среды. Рассмотрим систему определения местонахождения космических объектов (рис. 7.25А). На фотодетектор при помощи оптической системы (например, телескопа) фокусируется изображение солнца или какого-то иного достаточно яркого объекта. Четыре выхода фотодетектора подсоединяются к соответствующим входам дифференциальных усилителей (рис. 7.25Б). Выходной сигнал каждого усилителя пропорционален перемещению изображения от оптического центра датчика вдоль соответствующей оси. Когда изображение находится точно в центре, выходные сигналы обоих усилителей равны нулю. Это происходит только тогда, когда оптическая ось телескопа пересекает объект.

7.5.2. Поляризационный детектор приближения

Использование поляризованного света позволяет улучшить характеристики оптоэлектронных датчиков. Каждый фотон света обладает индивидуальными направлениями магнитного и электрического полей, перпендикулярных друг другу и направлению распространения излучения (см. рис. 3.48 главы 3). Направление электрического поля совпадает с направлением поляризации света. Большинство источников света испускают фотоны, имеющие произвольную поляризацию. Для того чтобы свет стал поляризованным, его надо направить на поляризационный фильтр, изготовленный из специального материала, пропускающего фотоны только одного направления поляризации, остальные фотоны при этом либо поглощаются, либо отражаются. Однако любое направление поляризации можно представить в виде геометрической суммы двух ортогональных составляющих. Одна из этих составляющих совпадает с направлением поляризации фильтра. Тогда, поворачивая источник света, можно постепенно изменять интенсивность света на выходе фильтра (рис. 7.26).

После встречи поляризованного света с объектом отраженные лучи могут либо сохранить то же самое направление поляризации (зеркальное отражение), либо изменить угол поляризации. Последний вариант характерен для многих неметаллических объектов. Таким образом, для того чтобы реализовать датчик, который бы не реагировал на отражающие объекты (например, металлические консервные банки, обертки из фольги и т.д.), в нем должно быть два перпендикулярно направленных поляризационных фильтра, один рядом с источником света, а другой рядом с детектором (рис 1.21 А и 7.27Б).

Первый фильтр располагается рядом с излучающей линзой и служит для поляризации лучей от источника света, а второй — рядом с принимающей линзой детектора, его назначение — пропускать только компоненты излучений, направленные под углом 90° к испускаемому свету. Если свет отражается от зеркальных рефлекторов, направление его поляризации не меняется и, следовательно, принимающий фильтр ничего не пропустит на фотодетектор. Однако, если происходит не зеркальное отражение от объекта, часть фотонов, имеющих соответствующее направление поляризации, достигнет фотодетектор. Следовательно, использование выходных поляризационных фильтров позволяет снизить а ложные срабатывания при детектировании неметаллических объектов.