|
|
|
ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИПосле механических контактных и потенциометрических сенсоров оптические детекторы возможно являются наиболее популярными устройствами для определения положения и перемещений объектов. Среди их основных достоинств можно назвать простоту, отсутствие нагрузочного эффекта и относительно большие рабочие расстояния. Они нечувствительны к паразитным магнитным полям и электростатическим помехам, что делает их незаменимыми для некоторых приложений. В состав оптического датчика перемещений, как правило, входят три компонента: источник света, фотодетектор и устройства, управляющие светом (линзы, зеркала, оптические волокна и т.д.). На рис. 4.17 и 4.18 главы 4 приведены примеры двух оптоволоконных сенсоров приближения. Подобные датчики можно реализовать и без применения оптоволокон. В этих случаях свет направляется на объект при помощи фокусирующих линз, а возвращается назад к детектору при помощи отражателей. В настоящее время этот метод претерпел существенные изменения: за счет более сложных компонентов удалось улучшить избирательность, повысить помехозащищенность и надежность оптических сенсоров. Оптические мостовые схемы Классическая концепция мостовых схем применима и к оптическим датчикам. На рис. 7.25 приведен пример построения мостового оптического датчика. Четы-рехквадрантный фотодетектор состоит из четырех детекторов света, соединенных в мостовую схему. Объект должен отличаться по оптической контрастности от окружающей среды. Рассмотрим систему определения местонахождения космических объектов (рис. 7.25А). На фотодетектор при помощи оптической системы (к примеру, телескопа) фокусируется изображение солнца или какого-то иного достаточно яркого объекта. Четыре выхода фотодетектора подсоединяются к соответствующим входам дифференциальных усилителей (рис. 7.25Б). Выходной сигнал каждого усилителя пропорционален перемещению изображения от оптического центра датчика вдоль соответствующей оси. Когда изображение находится точно в центре, выходные сигналы обоих усилителей равны нулю. Это происходит только тогда, когда оптическая ось телескопа пересекает объект. 
Рис. 7.25. Четырехквадрантный фотодетектор: А — фокусирование
объекта на датчик, Б — подключение чувствительных элементов к дифференциальным
усилителям, В — внешний вид датчика. Перепечатано из Advanced Photonix, Inc. Camarillo, CA
Поляризационный детектор приближения Использование поляризованного света позволяет улучшить характеристики оптоэ-лектронных сенсоров. Каждый фотон света обладает индивидуальными направлениями магнитного и электрического полей, перпендикулярных друг другу и направлению распространения излучения (см. рис. 3.48 главы 3). Направление электрического поля совпадает с направлением поляризации света. Большинство источников света испускают фотоны, имеющие произвольную поляризацию. Для того чтобы свет стал поляризованным, его надо направить на поляризационный фильтр, изготовленный из специального материала, пропускающего фотоны только одного направления поляризации, остальные фотоны при этом либо поглощаются, либо отражаются. Однако любое направление поляризации можно представить в виде геометрической суммы двух ортогональных составляющих. Одна из этих составляющих совпадает с направлением поляризации фильтра. Тогда, поворачивая источник света, можно постепенно изменять интенсивность света на выходе фильтра (рис. 7.26). 
Рис. 7.26. Поляризованный свет, выходящий из
поляризационного фильтра: А — направление поляризации света и фильтра
совпадают, Б — поляризация света направлена под углом к вектору поляризации
фильтра, В — направления поляризации фильтра и света перпендикулярны друг другу
Рис. 7.27. Детектор приближения с двумя поляризационными
фильтрами, расположенными под углом 90° друг к другу: А — поляризованный свет
отражается от металлического объекта, не меняя направление поляризации, Б — неметаллический
объект меняет направление поляризации отраженного света, что позволяет ему
пройти через поляризационный фильтр
После встречи поляризованного света с объектом отраженные
лучи могут либо сохранить то же самое направление поляризации (зеркальное
отражение), либо изменить угол поляризации. Последний вариант характерен для
многих неметаллических объектов. Таким образом, для того чтобы реализовать
датчик, который бы не реагировал на отражающие объекты (к примеру,
металлические консервные банки, обертки из фольги и т.д.), в
нем должно быть два перпендикулярно направленных поляризационных фильтра: один
рядом с источником света, а другой рядом с детектором (рис. 7.27А и 7.27Б). Первый фильтр располагается рядом с излучающей линзой и служит для поляризации
лучей от источника света, а второй — рядом с принимающей линзой детектора, его
назначение — пропускать только компоненты излучений, направленные под утлом 90°
к испускаемому свету. Если свет отражается от зеркальных рефлекторов,
направление его поляризации не меняется и, следовательно, принимающий фильтр
ничего не пропустит на фотодетектор. Однако, если происходит незеркальное
отражение от объекта, часть фотонов, имеющих соответствующее направление
поляризации, достигнет фотодетектор. Следовательно, использование выходных
поляризационных фильтров позволяет снизить а ложные срабатывания при
детектировании неметаллических объектов.
Волоконооптические датчики Волоконоптические датчики могут достаточно эффективно использоваться в качестве детекторов приближения и уровня. На рис. 4.18 главы 4 отображен один из 
Рис. 7.28. Оптический детектор уровня жидкости, простроенный
на принципе изменил коэффициентов преломления в жидкой и воздушной
На рис. 7.28 отображен оптический детектор уровня жидкости (см. также раздел 7.8.3). Он состоит из двух оптоволоконных световодов и призмы. Принцип его действия основан на разности коэффициентов преломления воздуха (или газообразной фазы материала) и жидкости, уровень той необходимо определить. Когда датчик находится выше уровня жидкости, большая часть света передающего световода (левого) попадает в принимающий световод (правый), что возможно благодаря полному внутреннему отражению призмы. Однако часть лучей достигают отражающую поверхность призмы под углами меньшими, чем угол полного внутреннего отражения, и теряются в окружающей среде. Когда призма достигает уровня жидкости, ее угол полного внутреннего отражения изменяется, поскольку коэффициент преломления жидкости превышает коэффициент преломления воздуха. Это приводит к большему падению интенсивности света, измеряемой на конце принимающего световода. Интенсивность света преобразуется в электрический сигнал при помощи соответствующего фотодетектора. среде 
Рис. 7.29. Волоконооптический датчик уровня жидкости: А — когда
датчик находится выше уровня жидкости, интенсивность света на выходе световода
максимальная, Б — когда чувствительная область погружается в воду,
интенсивность света падает.
На рис. 7.29 отображен еще один вариант волокнооптического датчика (данный датчик изготавливается кампанией Gems Sensors, Plainville,CT). Все устройство монтируется в зонде, имеющем диаметр 5 мм, при этом погрешность воспроизводимости результатов такого датчика составляет около 0.5 мм. Отметим, что при вынимании зонда из жидкости в чувствительных областях на нем остаются капли . Датчики Фабри-Перо Для прецизионного измерения малых перемещений в неблагоприятных условиях окружающей среды применяются, так называемые, оптические резонаторы Фаб-ри-Перо, состоящие из двух полуотражающих зеркал, расположенных напротив друг друга на расстоянии L (рис. 7.30А). Свет в резонатор поступает от источника с известными характеристиками, к примеру, от лазера. Фотоны, попадая в резонатор, начинают отражаться то от одного, то от другого зеркала. В процессе этих отражений они интерферируют друг с другом. Здесь световод имеет U-образную форму. В световоде при погружении в жидкость происходит модуляция интенсивности проходящего света. Рядом с местами изгибов, там где радиус кривизны наименьший, детектор имеет две чувствительные области. Фактически, резонатор играет роль светового накопителя. За пределы резонатора могут выйти фотоны только определенных частот. Таким образом, можно считать, что интерферометр Фабри-Перо является частотным фильтром, частота пропускания того определяется длиной резонатора (рис. 7.ЗОБ). При изменении длины резонатора соответственно меняются и частота выходящего света. Если сделать одно из зеркал подвижным, то, измеряя выходящую частоту импульсов света, можно определять очень маленькие изменения длины резонатора Для используемых на практике резонаторов расстояние между зеркалами составляет порядка 1 мкм, а типичные значения Av лежат в интервале 500 МГц.,.1 ГГц. Таким образом, по разнице частот выходного излучения и сигнала от эталонного источника света можно судить об изменении длины резонатора с точностью, сравнимой с длиной волны света. Объектом измерения может быть любая физическая величина, изменение той приводит к изменению размеров резонатора (перемещению зеркал): к примеру, механическое напряжение, сила, давление и температура. Благодаря своей универсальности, детекторы Фабри-Перо получили широкое распространение. к примеру, они используются для измерения давления, и температуры [7–10]. Такие датчики детектируют изменения длины оптического пути, вызванные либо изменениями коэффициента преломления, либо изменением физической длины резонатора. Детекторы Фабри-Перо, изготовленные при помощи MEMS технологий, обладают миниатюрными величиными и низкой стоимостью. Другим достоинством микросенсоров Фабри-Перо является то, что для генерации интерференционного сигнала им подходят практически любые когерентные источники света, даже такие как СИД. 
Рис. 7.30. А — многократная интерференция внутри резонатора
Фабри-Перо, Б — импульсы света на выходе резонатора
На рис. 7.31 отображен датчик давления, использующий резонатор Фабри-Перо. Давление, действующее на верхнюю мембрану, заставляет диафрагму прогибаться вниз, тем самым, уменьшая высоту резонатора L. Резонатор изготавливается в виде монолитного кристалла методами микротехнологий, поэтому зеркала представляют собой либо диэлектрические, либо металлические слои, нанесенные на соответствующую подложку. Для получения требуемых характеристик датчика, толщину каждого слоя необходимо строго контролировать. На рис. 7.31 отображен микродатчик давления, выпускаемый FISO Technologies (www.fiso.com). Этот датчик обладает очень низким коэффициентом температурной чувствительности (менее 0.03%) и имеет внешний диаметр 0.55 мм, что делает его идеальным для применения в составе имплантируемых медицинских устройств и других миниатюрных инструментов. 
Рис. 7.31. Конструкция датчика давления Фабри-Перо (А) и
внешний вид датчика давления FISO FOP-M (Б)
На рис. 7.32 отображена измерительная система на основе датчика Фабри-Перо. Излучение от источника дневного света подается через светоделитель 2x2 на оптоволоконный волновод, соединенный с датчиком. В состав датчика входит интерферометр Фабри-Перо (ИФП), отражающий свет назад. При этом длина волны отраженного излучения зависит от размеров резонатора. Теперь остается только измерить разницу длин волн. Это выполняется при помощи кросс-кореллятора, реализованного на базе клинообразного преобразователя Фабри-Перо, который, по существу, является резонатором с линейно изменяющейся геометрическими величиными. В зависимости от длины волны полученного излучения, оно пройдет через определенную зону резонатора. Место выхода света на клине преобразователя определяется при помощи детектора положения (ДП), детально описанного в сайте 7.5.6. Выходной сигнал детектора напрямую связан с внешним воздействием, приложенным к ИФП. 
Рис. 7.32. Система измерения на основе датчика Фабри-Перо
(Приведено с разрешения Roctest, www.roctest.com)
Преимущества данного метода: линейность; нечувствительность
к интенсивности излучения источника света и излучения, возникающего при
передаче сигналов по световодам; универсальность, т.е. возможность измерения
различных внешних воздействий одним и тем же инструментом; широкий динамический
диапазон (1:15000) и высокая разрешающая способность. В дополнение к этому
во-локонооптические датчики устойчивы ко многим видам электромагнитных и
радиочастотных помех и могут работать в суровых условиях окружающей среды,
к примеру, в СВЧ-печах.
Решетчатые датчики Оптический датчик перемещения может быть изготовлен на основе двух перекрывающихся решеток, играющих роль модулятора интенсивности света (рис. 7.33А). Излучение от эталонной лампы сначала попадает на первую стационарную решетку, которая пропускает на вторую подвижную решетку только 50% света. Когда непрозрачные полоски подвижной решетки точно совмещаются с пропускающими зонами стационарной решетки, путь свету будет полностью перекрыт. Следовательно, такая комбинация решеток позволяет модулировать интенсивность выходящего пучка света от 0 до 50% интенсивности эталонной лампы (рис.7.33Б). Прошедший через решетки свет фокусируется на чувствительную поверхность фотодетектора, который преобразует его в электрический ток. 
Рис. 7.33. Оптический датчик перемещений с решетчатым
модулятором света: А — принципиальная схема, Б — передаточная функция
Максимальное измеряемое перемещение определяется величиными непрозрачного и пустого секторов решеток. Всегда необходимо выбирать компромисс между динамическим диапазоном модулятора и его чувствительностью, поскольку чем больше шаг решетки (больше размеры прозрачных и непрозрачных секторов), тем ниже чувствительность, но шире интервал измерений. Для повышения чувствительности желательно делать шаг решетки, как можно, меньше, чтобы самые незначительные перемещения решетки приводили к существенному изменению выходного сигнала. Этот тип модулятора используется в гидрофонах для определения перемещений диафрагмы [11]. При шаге решетки 10 мкм максимальное измеряемое перемещение составляет 5 мкм. В качестве источника света используется 2-х мВт He-Ne лазер, излучение того через оптоволоконный световод подается на решетку. Тестирование показало, что чувствительность такого гидрофона составляет 1мкПа в динамическом диапазоне 125 дб, а рабочий интервал частот — порядка 1 кГц. Принцип модуляции света при помощи решеток используется в очень популярных поворотных или линейных кодирующих устройствах, в которых в подвижной маске (обычно изготовленной в виде диска) формируются прозрачные и непрозрачные участки (рис. 7.34). 
Рис. 7.34. Диски оптических шифраторов перемещений: А — дискретных,
Б — абсолютных. При вращении диска по часовой стрелке (CW) сигнал а опережает
сигнал Ъ на 90° (В), а при вращении против часовой стрелки (CCW) — сигнал а
отстает от Ъ на 90° (Г).
Диск в данном случае выполняет роль прерывателя световых лучей оптопа-ры. Когда непрозрачный участок диска перекрывает путь лучу, на выходе детектора устанавливается нулевой уровень сигнала. При прохождении луча через прозрачную зону выходной сигнал детектора равен единице. Оптические кодировщики часто используют ИК излучатели и детекторы, работающие в спектральном диапазоне 820...940 нм. Диски обычно изготавливаются из многослойной пластмассы, а непрозрачные участки на них формируются фотографическим методом. Такие диски имеют низкий вес, малую инерционность, небольшую стоимость, а также обладают устойчивостью к ударам и вибрациям. Для расширения температурного диапазона диски изготавливают из металла, тогда рисунок в них выполняется по технологии травления. Существует два типа кодирующих дисков: дискретных и абсолютных перемещений. В первом случае импульсы вырабатываются при повороте диска на фиксированную величину угла (шаг), во втором случае угловое перемещение задается комбинацией прозрачных и непрозрачных секторов, расположенных по радиусу диска. Обычно рисунок диска абсолютных перемещений соответствует конкретному цифровому коду. Чаще других используется код Грея, двоичный и двоично-десятичный код. Поскольку диски первого типа имеют более простую конструкцию, а, значит, и меньшую стоимость, они и получили более широкое распространение в кодирующих системах. В шифраторах дискретных перемещений достаточно использовать только один оптический канал (пару излучатель-детектор). Если необходимо определять и скорость угловых перемещений, и их направление, требуются два оптических канала. Для этого чаще других применяется квадратурный метод детектирования, когда определяется фазовый сдвиг между выходными сигналами двух оптических каналов, по знаку того можно судить о направлении движения, а по величине — о скорости и перемещении (рис. 7.34В и 7.34Г). Позиционно-чувствительные детекторы Для точного измерения положений объектов и их перемещений на длинных и коротких расстояниях подходят оптические системы, работающие в ближнем ИК спектральном диапазоне. Примерами таких систем являются позиционно-чувствительные детекторы (ПЧД), часто используемые в устройствах автофокусировки фото — и видео — камер. Модуль определения положения объекта является активным устройством: в его состав входит светоизлучающий диод (СИД) и ПЧД с фотодетектором. Принцип действия этого устройства основан на геометрических свойствах треугольников. На рис. 7.35 отображено, как можно найти расстояние до объекта. Излучение от СИД, работающего в ближней ИК области спектра, проходя через линзу коллиматора, формирует луч с малым углом отклонения (менее 2 °). Луч представляет собой импульс длительностью 0.7 мс. Сталкиваясь с объектом, лучи отражаются назад на детектор. Полученное излучение (низкой интенсивности) фокусируется на чувствительной поверхности ПЧД. Выходные сигналы ПЧД (токи 1В и 1А) пропорциональны расстоянию х между центром детектора и световым пятном. Интенсивность дошедшего излучения сильно зависит от отражательных свойств объекта. Диффузионная отражающая способность в ближнем 
Рис. 7.37. оптические датчики на основе ПЧД (фирмы Keyence
Corp. Of America, Fair Lawn, NJ)
ших перемещений на расстоянии нескольких сантиметров. Эти
датчики эффективно работают в реальном масштабе времени и применяются при
измерениях:
— высоты в таких устройствах, как системы контроля: качества
печатных плат, уровня жидких и твердых сред, и т.д.,
— эксцентриситета вращающегося объекта,
— толщины,
— перемещений,
а также для обнаружения присутствия в рабочей зоне
определенных объектов. Основным достоинством сенсоров на основе ПЧД является
то, что их точность может превышать точность самого ПЧД [12].
ПЧД выпускаются двух типов: одно и двухмерные. Эквивалентные
схемы ПЧД обоих типов отображены на рис. 7.38. Поскольку в состав эквивалентных
схем входят распределенные емкости и сопротивления, постоянные времени ПЧД
зависят от положения светового пятна. При подаче на выход ступенчатой функции
постоянная времени ПЧД с небольшой чувствительной зоной меняется в диапозоне
1...2 мкс. Спектральный диапазон ПЧД составляет 320...1100 нм, следовательно,
они работают в УФ, видимом и ближнем ИК областях спектра. Чувствительная
поверхность небольших одномерных ПЧД лежит в пределах 1x2... 1x12 мм, в то
время как больших двухмерных ПЧД ее сторона равна 4...27 мм.
Рис.7.38.Эквивалентные схемы: А — одномерного ПЧД, Б — двухмерного
ПЧД.
.
Информация исключительно в ознакомительных целях. При использовании материалов этого сайта ссылка обязательна.Правообладатели статей являются их правообладателями. |
По вопросам размещения статей пишите на email:
|
