Фотоприемники для оэпп
Фотоприемный модуль преобразует оптические сигналы, образованные в результате прохождения оптическим излучением измерительного звена в электрические и содержит несколько приёмников оптического излучения (ПОИ).
Требования к ПОИ включают в себя требования к спектральной чувствительности, быстродействию и отношению сигнал/шум, определяемому обнаружительной способностью или обратной ей величиной - порогом чувствительности.
Сравнивая разные ПОИ, можно отметить, что фотодиодные и фототранзисторные структуры представляют собой основу большинства разновидностей полупроводниковых ПОИ, используемых в современных ОЭПП. Простота их устройства позволяет достигнуть физического и конструктивного оптимума и обеспечить наиболее полное использование падающего потока.
Фотодиоды (ФД) обладают наилучшим сочетанием фотоэлектрических параметров, основных с точки зрения использования в ФПМ ОЭПП: высокой спектральной чувствительностью и высоким быстродействием; малыми значениями паразитных параметров (токов утечки, емкости и т.п.). В сопоставлении с другими, более сложными ПОИ, кремниевые ФД обладают наибольшей температурной стабильностью характеристик и лучшими эксплуатационными свойствами. Все эти достоинства служат основанием для применения ФД в качестве ПОИ в ФПМ ОЭПП.
ФД могут работать в двух режимах: фотогальваническом (без внешнего источника питания) и в фотодиодном (с внешним источником). В фотогальваническом режиме ниже уровень шумов, но мала интегральная чувствительность. В фотодиодном режиме достигается высокая интегральная чувствительность, но при этом выше уровень шумов.
При выборе ФД следует учитывать следующие его параметры и характеристики: интегральную чувствительность Sинт, порог чувствительности в единичной полосе частот Фп1, время установления нормированной переходной характеристики уст; относительную спектральную характеристику чувствительности Sотн(), частотную характеристику чувствительности S(f).
Внешний вид наиболее часто применяемых в ОЭПП фотоприёмников приведён на рисунках 8 и 9.
Также интерес представляют и позиционно-чувствительные оптопары для ОЭПП, в которых реализован принцип последовательного счета при работе в отражённых пучках лучей. Внешний вид одной из таких оптопар модели К345 приведены на рисунке 10.
Принципиальная электрическая схема формирования системы результирующих сигналов преобразования
Поскольку измерительная информация представляет собой модулированный растровым сопряжением световой поток, то для преобразования его в электрический сигнал используют, как правило, фотодиоды.
Следует помнить, что важным параметром любого преобразователя является граничная частота измерительного сигнала, т. е. в конечном счете максимальное значение скорости перемещения измеряемого объекта. Поскольку любой фотоприемник обладает конечным значением паразитной емкости Сп, в которую ответвляется часть тока нагрузки, то постоянная цепи = RнСп определяет динамические характеристики фотоприемника. Поэтому режим короткого замыкания предпочтителен, поскольку он обеспечивает более широкий частотный диапазон формирования измерительного сигнала за счет быстрого заряда и разряда паразитной емкости.
Режим короткого замыкания может быть реализован в полной мере только с использованием операционных усилителей с дифференциальными входами. Для этой цели используются операционные усилители, включенные по схеме усилителей тока (преобразователей тока).
Для того чтобы использовать эффективную электрическую принципиальную схему, т.е. сформировать качественную систему измерительных сигналов, необходимо сформулировать электрические требования к такой системе. Для обеспечения необходимой дискреты измерения необходимо считать не только периоды результирующего измерительного сигнала, но и их доли. Для этой цели используют специальные устройства, которые позволяют определять с высокой точностью моменты перехода результирующего сигнала через нуль и промежуточные значения функции преобразования, т.е. производить интерполяцию измерительного сигнала. Иначе говоря, эти устройства контролируют фазовое положение системы измерительных сигналов. В соответствии с назначением этих устройств они получили название электронных фазовых интерполяторов.
Система результирующих измерительных сигналов преобразования должна быть двухфазной (фазы 0°, 90°) с дополнительной инверсной одной из фаз, например 180°. Измерительные сигналы преобразования должны иметь одинаковую и достаточную амплитуду (не менее 1 В) и быть строго квадратурными.
Любая отсчетно-измерительная система линейных перемещений должна обладать определенной степенью универсальности. Датчики (первичные преобразователи) могут иметь различные диапазоны перемещений, т. е. должны быть сменными. Из этого следует, что параметры электрических сигналов преобразования (амплитудные значения и фазовый сдвиг) должны быть унифицированы, чтобы избежать необходимости подстройки указанных параметров при смене преобразователей. Следовательно, электронная схема, обеспечивающая эти параметры, должна конструктивно располагаться в преобразователе. Учитывая возможности современной элементной базы интегральных микросхем, реализовать это не составляет особого труда.
На рисунке 11 приведена принципиальная электрическая схема, позволяющая формировать четырехфазную систему исходных (первичных) квадратурных измерительных сигналов преобразования. Она включает в себя четырехэлементный фотодиод с квадрантным расположением светочувствительных поверхностей (например, ФД19КК) и четыре токовых усилителя, выполненных на операционных усилителях ОУ1-ОУ4. Поскольку входной ток рассматриваемых усилителей практически отсутствует, ток, протекающий через сопротивление обратной связи, будет равен току короткого замыкания фотодиода. Таким образом, сигнал преобразования формируется как падение напряжения на сопротивлении обратной связи вследствие протекания тока короткого замыкания фотодиода.
Для регулировки коэффициента преобразования (постоянной составляющей) измерительного сигнала в цепи обратной связи имеются потенциометры R3-R13 (баланс постоянных составляющих ПС). Кроме того, вследствие изменения фазы сигнала на высоких частотах (набега фазы) усилитель тока снабжен отрицательной обратной связью по высоким частотам (конденсаторы С1-С4).
Они незначительно смещают частоту среза усилителя в сторону нижних частот, однако исключают возбуждение усилителя в области высоких частот.
Следует заметить, что коррекцию постоянных составляющих можно производить оптическими средствами, т.е. диафрагмированием светового потока каждого квадранта. На практике в некоторых конструкциях для этой цели используются механические винты, перекрывающие световой поток от осветителя к соответствующему фотодиоду. Однако неоднородность светового поля, дополнительные блики и конструктивные усложнения ставят под сомнение эффективность такого рода регулировок.
Противофазные электрические сигналы преобразования токовых усилителей, выровненные по постоянным составляющим, попарно подаются на масштабные усилители, выполненные на операционных усилителях ОУ5 и ОУ7 с одинаковым коэффициентом передачи по напряжению. Операционный усилитель ОУ6 выполняет роль инвертора электрического измерительного сигнала фазы 0° с коэффициентом передачи по напряжению, равным 1. Амплитудные значения сигналов фазы 0° и фазы 270° примерно одинаковы. Различие амплитуд по величине определяется различием коэффициентов модуляции первичных электрических сигналов преобразования фотоприемников вследствие возникновения клиновидности.
Операционный усилитель ОУ8 выполнен по схеме сумматора с регулируемым коэффициентом передачи в пределах 0,5 1,5. Это позволяет скомпенсировать потерю амплитудного значения фазы 270° при коррекции ее в пределах ±45°. После инверсии фаза 270° трансформируется в фазу 90°.
Коррекция фазы квадратурного сигнала осуществляется на сумматоре (резисторы R21, R22). Изменение амплитуды и фазы корректирующего сигнала производится потенциометром R9.
На рисунке 12а показан принцип коррекции фазового положения исходного вектора на величину угла . Для того чтобы получить результирующий вектор заданной фазы (в данном случае 270°), необходимо сложить исходный вектор с корректирующим. Значение корректирующего вектора определяется величиной фазовой погрешности , а фаза (0° или 180°) — знаком указанной погрешности.
Таким образом, в общем случае исходный вектор, в силу ранее рассмотренных причин, может иметь произвольный знак (« + » или «-») фазовой погрешности и конечное значение корректируемого угла . Поэтому скалярная величина корректирующего вектора должна изменяться от 0 до амплитудного значения с возможностью изменения значения фазы на противоположное.
Реализация поставленной задачи иллюстрируется на рисунке 12 б. На потенциометр подаются два противофазных сигнала с одинаковыми амплитудными значениями А. Движок потенциометра разделяет его на два резистора, в точке соединения которых происходит сложение двух электрических противофазных сигналов одинаковой амплитуды А. Амплитуды принимают участие в сложении со значениями, обратно пропорциональными значению резисторов. В средней точке, когда значения резисторов одинаковы и равны R/2, в сложении участвуют два противофазных сигнала с амплитудами А/2. Результирующий сигнал равен 0.
При передвижении движка потенциометра вверх от средней точки, результирующая амплитуда линейно возрастает до конечного значения А с фазой 0°. При передвижении движка потенциометра вниз от средней точки — до конечного значения А с фазой 180°.
Из рисунка 12 а видно, что при коррекции фазового положения исходного вектора скалярное значение результирующего вектора А' определяется как проекция исходного вектора на фазовую ось, т. е. А' = Аcos. Чтобы возместить потерю значения амплитуды результирующего сигнала после коррекции (коэффициент cos), коэффициент передачи по напряжению откорректированного сигнала на операционном усилителе ОУ8 (R20/R22) устанавливается в пределах примерно 1 ± 0,5.
Таким образом, фазу результирующего измерительного сигнала можно скорректировать простым и эффективным способом. Учитывая многофакторность возникновения статической погрешности фазирования в системе измерительных сигналов (неточность взаимного расположения растровых звеньев, позиционная погрешность расположения фотоприемников, расходимость светового потока осветителя, неточность установки рабочего значения угла перекоса растров), следует сделать вывод о том, что для каждой конкретной конструкции указанная величина статической погрешности будет индивидуальной. Ее разброс будет определяться точностями сопряжений отдельных элементов при изготовлении и сборке, а также культурой производства. Отсюда следует вывод о нецелесообразности контроля погрешности фазирования системы первичных измерительных сигналов, поскольку имеется возможность скорректировать указанную погрешность в системе результирующих измерительных сигналов.