2.5.2 Муаровые преобразователи. Занятие 25.

В о многих случаях необходимо определять перемещения с высокой точностью.( до мкм и еще точнее). Такие измерения производят с помощью оптических датчиков. Первые измерения производились с помощью интерферометров и дифракционных решеток. Вследствие сложности такие измерения проводились только в научных целях, а следовало внедрить их в электронную промышленность. Муаровые датчики построены на основе дифракционных решеток. Но они достаточно просты и надежны. В основе датчика лежат две дифракционные решетки с шагом 10 или 20 мкм. Одна из решеток (неподвижная) имеет длину, равную необходимому перемещению. Вторая (подвижная, связанная с движущимся объектом) имеет малую длину (менее 10 мм). Если поместить решетки друг над другом на малом расстоянии, свет будет проходить через них с различной интенсивностью ( от нуля до максимума) в зависимости от взаимного расположения решеток: если непрозрачные участки одной решетки располагаются над прозрачными участками другой, свет не проходит; если прозрачные участки совпадают, интенсивность проходящего света максимальна. Светоприемник, установленный за решетками, позволит достаточно точно определить взаимное перемещение решеток. Но он не позволит определить направление перемещения: величина сигнала изменяется одинаково при перемещении в одну либо другую сторону. Неизмеримо большие возможности имеет датчик, если одна из решеток имеет небольшой поворот относительно второй (линии одной решетки непараллельны линиям второй).

На рис. показаны линии двух решеток, непараллельных друг другу. В местах их пересечения образуются "муаровые" полосы. Интенсивность полос изменяется от максимальной (в точках пересечения линий) до минимальной (на равном расстоянии от полос). С небольшой погрешностью закон изменения интенсивности можно считать синусоидальным. Расстояние а между полосами тем больше, чем меньше угол поворота между решетками. Это имеет большое практическое значение: расстояние можно сделать настолько большим, что на одной линии можно установить фотоприемник достаточно больших размеров. На рис.изображены муаровые полосы при неподвижных решетках. Если решетки перемещаются одна вдоль другой, муаровые полосы тоже перемещаются, причем перемещаются они в одну, либо д ругую сторону (в зависимости от перемещения решеток). Перемещение полос перпендикулярно перемещению решеток. При перемещении решеток на один период полосы перемещаются на расстояние а, которое постоянно и называется периодом муарового изображения. Вдоль перемещения муаровой картины устанавливают фотоприемники 1…4.

Н а рис. показана интенсивность света между двумя муаровыми полосами, первая из которых расположилась против светоприемника 1, вторая—ниже приемника 4. Расстояние между полосами а, светоприемники 1…4 располагают на расстоянии друг от друга. Интенсивность освещения фотоприемников различна. Когда на первом она максимальна, на втором и четвертом равна половинному значению, на третьем—минимальна. Так как муаровая картина движется, то и освещенности фотоприемников меняются в соответствии с рисунком по закону sin. Освещенности фотоприемников сдвинуты по времени на 90⁰ (четверть периода) друг относительно друга. Цифры в кружочках показывают номер фотоприемника.

Обработка сигнала заключается в следующем. Из напряжения сигнала 1 вычитают напряжение сигнала 3, а из 2—4 (см. рис.). Так как сигнал 3 находится в противофазе сигналу 1, а сигнал 4—сигналу 2, то результаты вычитания имеют амплитуду в два раза большую, чем составляющие их сигналы. Основное назначение этой операции—убрать постоянные составляющие, возникающие на каждом из приемников (темновые токи). Темновые токи возникают от освещения фотоприемников внешними источниками света (например, освещением). Темновые токи одинаковы на всех приемниках и имеют одинаковый знак. Поэтому при вычитании напряжений они взаимоуничтожаются.

Результатом обработки являются две синусоиды (1-3 и 2-4), сдвинутые друг относительно друга на 180⁰. При движении в одну сторону первая синусоида "обгоняет" вторую, при движении в другую—вторая первую.

Для цифровой обработки информации синусоиды превращают в прямоугольные импульсы, как показано на рис. Осуществить это просто с помощью пороговых элементов. Импульсы располагаются так, что ситуации вполне различимы: при движении вперед фронты импульсов первой синусоиды всегда совпадают с нулем второй, а срезы—с единицей второй. При движении назад этих ситуаций не бывает. Наоборот, фронт первой последовательности всегда совпадают с единицей второй, а срезы—с нулем второй. В эти моменты и создаются импульсы (показаны черточками). Эти импульсы можно подать на реверсивные входы счетчика. При движении вперед поступающие импульсы будут суммироваться. При движении назад—вычитаться.

Муаровые датчики могут применяться для перемещений 0,5м и более. Дискретность измерения—1мкм и менее. Недостатком является понижение чувствительности в пыльных помещениях.

2.6 Оптические датчики движения (присутствия). Оптоэлектронные датчики

2.6.1 Датчики присутствия. Занятие 26.

Датчики движения (присутствия) основаны на пироэлектрическом эффекте, который заключается в возникновении зарядов на кристалле (пироэлектрике) при воздействии на него инфракрасного излучения. Пироэлектрики синтезированы относительно недавно и относятся к сегнетоэлектрикам.

Ч увствительный элемент датчика представляет собой конденсатор из пироэлектрика, обкладки которого выполнены из металла. Чаще всего это нихром, который обладает высокими свойствами поглощения тепла. Обкладка от притока инфракрасного излучения повышает свою температуру, в пироэлектрике возникает ЭДС определенного направления. Использовать эту ЭДС возможно путем подключения к выходу измерительного элемента полевого транзистора, имеющего очень большое входное сопротивление (биполярные транзисторы не подходят). Напряжение снимается с резистора R. Через некоторое время после заряда напряжение падает до нуля за счет утечек через R независимо от того, попадает на датчик тепло, или нет. Роль R может играть сопротивление самого пироэлектрика.

Любой предмет обладает температурой и соответственно ей излучает тепло. Живые тела отличаются по своей температуре от окружающего пространства и их излучение может быть воспринято датчиком.

Показанный выше датчик почти не применяется в связи с тем, что на него воздействуют излучения различного происхождения: солнечное, ламп накаливания, тепловых приборов и т.д.(фоновое излучение). Чтобы избавиться от фонового воздействия, включают встречно два или несколько чувствительных элементов. Так как фоновое излучение действует на них одинаково, ЭДС фонового излучения взимоуничтожаются. Датчик помещают в металлический корпус, воздействие тепла осуществляется только через кварцевое окно, направленное в сторону определяемого объекта.

Чтобы подобный датчик стал датчиком присутствия или движения, его оснащают системой линз, направленных в разные точки чувствительного элемента. В этом случае любое перемещение объекта с тепловым излучением будет фокусироваться в разные точки чувствительного элемента и это будет воспринято как изменение теплового воздействия. Линзы выполняют в виде л инз Френеля, которые можно штамповать из пластмассы! Из курса геометрической оптики известно, что преломляющая способность линзы зависит от формы поверхности линзы, но не зависит от толщины материала линзы. Поэтому участки линзы разной кривизны можно сосредоточить на плоскости, как показано на рис. Полученная линза (линза Френеля) будет иметь значительно меньший объем. При этом преломляющая способность линзы никак не изменится. Линзы Френеля можно изготовить из пластмассы, хотя преломляющая способность пластмассы во много раз меньше преломляющей способности стекла. Это связано с тем, что обычная линза из пластмассы из-за необходимости большой кривизны поверхности имела бы огромные размеры. В линзе Френеля преломляющие элементы очень малы и увеличение кривизны их поверхности почти не приводит к увеличению размеров.

Н а одном куске пластмассы можно изготовить большое количество линз с разной диаграммой направленности, что и создает возможность изготовления датчиков движения или присутствия.

Каждая линза "обозревает" определенный сектор и, если объект движется, он попадает в различные сектора обзора и его тепловое излучение попадает на различные участки чувствительного элемента, что воспринимается как изменение теплового воздействия на датчик. Для того, чтобы усилить эффект изменения сигнала, напряжение с транзистора VT подают на дифференцирующую цепь, которая увеличивает крутизну фронтов.

Так как движущийся объект попадает из одного сектора обзора в другой, есть возможность определить направление перемещения.

Датчики могут иметь различное количество чувствительных элементов, что определяет возможности датчиков. Как было сказано выше, имеют место не только тепловые, но и другие воздействия. Схемы датчиков должны уменьшать и даже исключать вредные воздействия. Наилучшим способом является использование микроконтроллеров.

Отличие датчиков присутствия от датчиков движения заключается в том, что датчики присутствия должны фиксировать самые мелкие изменения в обстановке, датчики движения—достаточно крупные. Датчики движения в большинстве своем должны определять направление движения.

2.6.2 Оптоэлектронные датчики. Занятие 27.

К оптоэлектронным датчикам относят обширный класс датчиков, действие которых основано на излучении и приеме светового излучения. Диапазон света может быть от ультрафиолетового до инфракрасного. В датчик входят источник и приемник света. По их взаимному расположению различают:

1) датчики, работающие на просвет. В них источник и приемник разделены. Между ними может перемещаться исследуемый объект. К ним относятся фотоэлектрические датчики (см. 2.5.1);

2) источник и приемник находятся в одном корпусе. На перемещающемся объекте имеется отражающая поверхность. Приемник ловит отраженный свет;

3) приемник улавливает излучения изучаемого объекта, например, инфракрасное излучение раскаленного тела.

К главным достоинствам оптоэлектронных датчиков является быстродействие.

В машиностроении оптоэлектронные датчики применяются как датчики пути (перемещений), угла поворота, угловой скорости, положения. Благодаря своим достоинствам они вытесняют механические датчики. Постоянное совершенствование оптоэлектронных датчиков приводит к таким уникальным качествам, как обнаружение неисправностей и сигнализация о них; обнаружение потери прозрачности оптики вследствие наличия пыли. При этом используется две возможности: а) увеличение чувствительности для компенсации частичной потери прозрачности и б) сигнализация о необходимости замены чувствительного элемента, причем замена осуществляется достаточно быстро с небольшой трудоемкостью.

Современные оптоэлектронные датчики обладают устойчивостью к электрическим, электромагнитным помехам, способны работать в условиях постороннего облучения, в том числе, и прямым солнечным светом, могут работать в условиях вибраций, механических воздействий (удары), при высоких температурах и загрязнениях. Для работы при низких температурах они могут быть оснащены специальным подогревателем.

Важную деталь представляет применение оптоволоконной оптики, позволяющей производить передачу света практически без потерь в любых направлениях.

Оптоэлектронные датчики входят в класс бесконтактных датчиков, т.е. датчиков не имеющих механического контакта с исследуемым узлом. Для увеличения надежности используется кодирование излучаемого света с дальнейшей расшифровкой в приемнике. Дальность действия датчиков, в зависимости от необходимости, может достигать сотни метров.