10.3. Оптические датчики
В основу принципа действия оптических датчиков положена зависимость параметров потока оптического излучения от значения измеряемой величины. Оптический датчик состоит из источника излучения оптического канала и приемника излучения (рис. 10.5). Измеряемая величина может воздействовать непосредственно на источник излучения и модулировать тот или иной параметр излучаемого им потока Фi; либо воздействуя на оптический канал, модулировать соответствующий параметр потока Ф1 преобразуя его в поток Ф2.
Рисунок 10.5.- Структурная схема оптического датчика
Выходная величина Y формируется в результате воздействия потока Ф2 на приемник излучения.
В оптических датчиках в качестве источника излучения наиболее часто применяются лампочки накаливания, светодиоды и лазеры. При этом лампочки накаливания и светодиоды применяются в датчиках со сравнительно небольшой частотой модуляции светового потока (от единиц Герц до нескольких килогерц). Лазеры допускают гораздо более высокую частоту модуляции потока и, следовательно, позволяют передавать и принимать измерительную информацию с большей скоростью.
Простейшим и самым распространенным оптическим датчиком является оптопара: светодиод, подвижная непрозрачная заслонка и фотодиод. Заслонка механически связана с подвижным звеном МС, положение которого нужно контролировать. Такой датчик может работать в дискретном режиме (открыто-закрыто) и в аналоговом (степень освещенности фотоприемника определяется положением заслонки). Конструктивно объединенные в одном корпусе и согласованные по спектральным характеристикам источник и приемник (чаще всего это светодиод и фотодиод) называют оптроном. Оптрон может быть открытым (оптический канал может перекрываться подвижной заслонкой) и закрытым (в этом случае между источником и приемником излучения существует постоянная связь через оптическую среду (стекло, прозрачная пластмасса), а измеряемая величина воздействует на источник излучения (вход X1 на рис. 10.5).
Пример использования оптического датчика в технологическом процессе показан на рис. 10.6. Источник света 1 создает с помощью линзы-конденсора 2 пучок параллельных лучей, в котором располагается исследуемая деталь 3. Часть лучей задерживается деталью, а оставшиеся лучи фокусируются линзой 4 на фотоприемнике 5. Освещенность фотоприемника, а, следовательно, и величина его фототока будут однозначно определяться диаметром детали.
Рисунок 10.6.- Схема определения диаметра детали с помощью оптического датчика
На рис. 10.7 представлена схема фотоэлектрического датчика, который преобразует абсолютное значение угла поворота контролируемого вала в многоразрядный двоичный код.
Рисунок 10.7.- Оптический датчик-«угол поворота - код»
Кодирующий диск 1 жестко закреплен на контролируемом валу 2. Диск 1 представляющий собой стеклянное основание, на котором фотоспособом нанесена кодовая маска, образованная несколькими (по количеству разрядов) концентрическими кодовыми дорожками с прозрачными и непрозрачными для света сегментами. Для построения кодовой маски наиболее часто используется двоичный код Грея, обеспечивающий надежность кодирования и простую схему считывания. Осветитель, состоящий из лампы 3 и конденсора 4, формирует световой поток, падающий на кодирующий диск 1. Луч света, проходя через прозрачные сегменты кодовых дорожек диска и щелевую диафрагму 5, освещает фотоприемники 6, усиленные сигналы с которых принимаются за двоичные единицы. Отсутствие сигналов с других фотоприемников, перекрытых непрозрачными сегментами кодовой маски, соответствует двоичным нулям. В результате каждому значению угла соответствует определенная комбинация единиц и нулей, являющаяся цифровым кодом измеряемого угла.
Достоинством фотоэлектрического преобразователя угловых перемещения в код является высокая разрешающая способность, соответствующая 12-16 двоичным разрядам на один оборот вала, т.е. от 5' до 20'' .