5. Оптические датчики шероховатости

Контроль качества поверхности деталей при авто­матизированном производстве оказывается возмож­ным благодаря применению линейных датчиков изоб­ражения (или последовательного ряда фотодиодов). На рис. 10.28 иллюстрируется принципиальное устрой­ство датчика шероховатости. Действие этого датчика основано на из­мерении светорассеяния.

Пучок света, испускаемый ИК-светодиодом (λ₀ = 810 нм), фокусируется объективом на детали. Све­товое пятно на поверхности детали обычно имеет размер около 1,8 мм, а в специальных случаях — 0,2...4 мм. В зависимости от качества поверхности обследуемого объекта в зоне светового пятна происхо­дит рассеяние света, который с помощью светоделительной пластинки направляется на датчик изображения. Дисперсия распределения рассеянного света дает характеристику оптической шероховатости по­верхности 5лг: S_N = g∑(i – i_ср)²p_i, где i – номер фотодиода, p_i — интенсивность, реги­стрируемая i-м фотодиодом, i_ср — номер фотодиода, усредненного по интенсивности, g — нормирующий множитель.

Рис. 10.28. Принцип действия датчика шероховатости.

а)

б)

в)

Рис. 10.29. Внешний вид поверхности деталей, обработанных раз­личным образом (а), соответствующие картины рассеяния света на датчике изображения (б) и кривые распределения рассеян­ного света (в).

На рис. 10.29 изображены поверхности различного качества, характерные для деталей, изготовленных точением, шлифованием и прокаткой. При точении и шлифовании получается равномерный бороздчатый профиль, тогда как прокатанная поверхность имеет нерегулярный рельеф. Это различие отчетливо прояв­ляется в характере светорассеяния, так как в проти­воположность точеной и шлифованной поверхности прокатанная поверхность имеет центросимметричное распределение интенсивности рассеянного света.

Оптические характеристики шероховатости S_N то­ченой и шлифованной поверхностей, определенные по кривым распределения светорассеяния (рис. 10.29) отличаются незначительно (72 и 78 соответственно), тогда как для прокатанной поверхности S_N = 48.

6. Датчики ик-излучения

Рис.10.30. Характеристики спектральной чувствительности различ­ных датчиков ИК-излучения.

Для ИК-диапазона от 0,8 до 12 мкм существует множество датчиков излучения (рис. 10.30) на основе селенида свинца (PbSe), сульфида свинца (PbS), арсенида индия (InAs), антимонида индия (InSb) и германия, а также пироэлектрические детекторы.

Важной областью применения таких детекторов является обнаружение людей (например, при защите от взлома помещений и зданий). При рассмотрении спектрального состава ИК-излучения, испускаемого человеком при температуре тела около 36,4°С (рис. 10.31) можно отметить отчетливый максимум в области длин волн около 10 мкм. Для этого спек­трального диапазона могут быть приняты во внимание только широкополосные ИК-датчики типа пироэлек­трических детекторов.

Рис. 10.31. Распределение интенсивности (I) ИК-излучения, испу­скаемого лампой накаливания и человеческим телом.

Пироэлектрический эффект возникает в резуль­тате смещения зарядов в некоторых кристаллах при их нагреве (рис. 10.32), однако, в данном слу­чае не возникает постоянного напряжения.

Рис. 10.32. Пироэлектрический эффект (перераспределение заря­дов в нагретом кристалле).

При резком воздействии ИК-излучения на пиро­электрический детектор, вызывающем его нагрев, на­пряжение или ток (в зависимости от вида схемы) из­меняются лишь кратковременно, а затем спадают до нуля даже и при сохраняющемся действии облучения (см. рис. 10.33).

Эквивалентную схему пироэлектрического детек­тора можно представить в виде параллельного (при измерении тока) или последовательного (при изме­рении напряжения) соединения конденсатора и гене­ратора (источника тока или напряжения), как пока­зано на рис. 10.34.

Чувствительность, как по току, так и по напря­жению зависит от частоты падающего излучения (рис. 10.35). Ниже 10 Гц предпочтительно усиление по напряжению, тогда как в случае высокочастотных широкополосных сигналов более целесообразно уси­ление по току.

При обнаружении людей (при их передвижении) сигнал находится в области нескольких герц, так что в этом случае применимо усиление по напряжению.

Рис. 10.33. Возбуждение и ответный сигнал пироэлектрического детектора

Рис. 10.34. Эквивалентная схема пироэлектрического детектора.

Рис 10.35 Частотная характеристика пироэлектрического детек­тора с различными схемами усиления: FET — усилитель на по­левом транзисторе.

Рис. 10.36. Устройство пироэлектрического датчика в металличе­ском корпусе со встроенным предусилителем сигнала. Справа в кружке дано увеличенное изображение подключения электродов.

На рис. 10.36 полностью показано устройство датчика с интегральным предусилителем на основе полевого транзистора и с нагрузочным сопротивлением в ми­ниатюрном исполнении.

Кроме использования в пассивных оградительных системах, такого рода датчики находят применение в схемах контроля за работой горелок, в пожарных извещателях, системах контроля окружающей среды, газоанализаторах, установках для измерения получе­ния и в реле близости.