Тема 6. Оптоэлектронный аналоговый датчик перемещения

Принцип действия оптоэлектронного аналогового датчика перемещения основан на изменении светового потока, поступающего на фотоприемник, при перемещении входного элемента (штока или вала) датчика. Схема датчика показана на рис.59.

Рис.59

Схема аналогового оптоэлектронного датчика перемещения.

Датчик включает в себя источник света 1, фотоприемник 2, неподвижную диафрагму 3 и подвижную шторку 4. Излучение от источника света поступает на фотоприемник через окно образованное неподвижной диафрагмой и подвижной шторкой. При перемещении подвижной шторки площадь открытой части окна изменяется, что приводит к изменению светового потока достигающего фотоприемника. Фотоприемник преобразует полученный световой поток в электрический сигнал. Чем больше световой энергии достигает фотоприемника, тем больше величина сигнала. Для датчика показанного на рисунке 59 статическая характеристика будет иметь вид близкий к линейному (рис.60).

Рис.60

Статическая характеристика аналогового оптоэлектронного датчика перемещения.

Количество световой энергии поступившей на фотоприемник определяется площадью проходного окна равной (рис.59) и свойствами источника излучения.

В качестве источников излучения в настоящее время наиболее широко используются ИК-светодиоды, обеспечивающие достаточно мощное излучение при малых габаритах и высокой экономичности /10/.

В качестве фотоприемников для рассматриваемого вида датчиков наиболее часто используются фотодиоды и фототранзисторы. /11/

Фотодиоды могут использоваться в генераторном или в вентильном режиме включения.

Методика расчета аналогового датчика перемещения

Для расчета аналогового датчика перемещения необходимо знать полную мощность излучения Р_ИЗЛ выбранного источника излучения, диаграмму направленности источника, геометрическую схему размещения излучателя и приемника и чувствительность приемника К_ПР в спектральном диапазоне излучения.

Диаграмма направленности излучателя и геометрическая схема датчика показаны на рис.61а.

Рис.61

К расчету аналогового оптоэлектронного датчика перемещения.

Для определения количества энергии, поступившей на фотоприемник, удобно диаграмму направленности (рис.61а) перестроить из полярных координат в декартовые (рис.61б). Считая диаграмму направленности осесимметричной, построим объемную поверхность вращением кривой (рис.61б) вокруг вертикальной оси (рис.61в). Объем ограниченный полученной поверхностью и плоскостью XY соответствует полной мощности излучения Р_ИЗЛ. Если на плоскости XY отобразить (в угловой мере) площадку на светочувствительной поверхности фотоприемника в соответствии с геометрической схемой датчика (рис.61а) на которую падает излучение при определенном положении подвижной шторки, то количество энергии поступающей на фотоприемник Р_ФПР будет соответствовать объему вертикальной призмы с криволинейной верхней гранью, показанной на рис.61в.

Для подсчета Р_ФПР /Р_ИЗЛ можно с успехом использовать возможности графических 3D пакетов (Компас, Автокад, Solid Works и других). Другой путь – использование приближенных вычислений с заменой криволинейных объемных фигур их аппроксимациями в виде набора усеченных конусов или дисков. В результате этих расчетов строится зависимость Р_ФПР(х). При известном К_ПР получаем зависимость фототока приемника излучения от перемещения подвижной шторки J_ФПР(х). Для преобразования фототока в сигнал по напряжению используется преобразователь «ток – напряжение» на основе операционного усилителя.

При создании двухтактного оптоэлектронного аналогового датчика перемещения можно использовать прием, описанный для двухтактного индуктивного датчика - совместную работу двух дифференциально включенных однотактных датчиков. Источник излучения для обоих датчиков может быть общим, а конфигурация неподвижной маски и подвижной шторки перед фотоприемниками должны обеспечивать дифференциальное изменение сигналов. Пример такого датчика показан на рис.62а.

Рис.62

Схема двухтактного аналогового оптоэлектронного датчика перемещения.

При перемещении подвижной шторки в направлении х освещенная площадь чувствительной поверхности ФП1 и ФП2 будет дифференциально изменяться. Если в качестве фотоприемников использованы фотодиоды в генераторном режиме, являющиеся источниками тока, то встречное включение их на вход преобразователя ток – напряжение (рис.62б) обеспечит двухтактную статическую характеристику (рис.62в).

В схемах, представленных на рис.59 и 62, перемещение шторки ограничено размерами светочувствительной площадки фотоприемника. Это существенно ограничивает возможности оптоэлектронного аналогового датчика перемещения по величине измеряемого перемещения. Для расширения диапазона перемещений можно использовать подвижную шторку с наклонным вырезом (рис.63 а). При перемещении подвижной шторки в широких пределах происходит дифференциальное изменение освещенных площадей S1 и S2 двух фотоприемников. Другой вариант - ввести в схему датчика оптическую систему, которая сформирует широкий световой пучок, направленный на подвижную шторку и диафрагму, а затем соберет излучение на чувствительную площадку фотоприемника (рис.63 б).

Рис.63

Измерение перемещений превышающих размеры фотоприемника.

Основное достоинство оптоэлектронного аналогового датчика перемещения - отсутствие обратного воздействия на объект измерения. Эти датчики обладают высоким быстродействием. Полоса пропускания датчика определяется быстродействием фотоприемника и электроники обрабатывающей сигнал и может составлять сотни и тысячи герц.

Конструкция датчика может быть легко приспособлена для измерения как линейных, так и угловых перемещений.

Недостатки оптоэлектронного датчика перемещения – ограниченный диапазон измерения, влияние температуры, слабая устойчивость к действию проникающей радиации.

Современная микроэлектронная элементная база позволяет создавать малогабаритные датчики, которые при соблюдении условий эксплуатации могут быть очень экономичными и эффективными.