Оптичні датчики

Основними елементами оптичних датчиків є (рисунок 18) джерело випромінювання, оптичний канал і приймач випромінювання.

Вхідним параметром оптичного датчика, як правило, являється переміщення об'єкту, що впливає на оптичний канал (що перекриває потік світла від джерела до приймача); вихідним параметром — електричний сигнал (електрорушійна сила або струм), що формується приймачем випромінювання.

Як джерела випромінювання використовують як лампи накалювання, так і світлодіоди — напівпровідникові прилади, які випромінюють світло при проходженні електричного струму, а також напівпровідникові лазери. Світлодіоди можуть створювати і невидиме інфрачервоне випромінювання, що дозволяє уникати засвічення приймача випромінювання, чутливого тільки до інфрачервоного випромінювання, від сторонніх джерел, у тому числі від денного світла.

Оптичним каналом, як правило, являється звичайне повітряне середовище, хоча для передачі оптичних сигналів на великі відстані використовують оптоволоконні лінії зв'язку.

Приймачами випромінювання служать вакуумні фотоелементи або напівпровідникові прилади: фоторезистори, фотодіоди і фототранзистори.

У фотоелементі світло вибиває електрони з металевого внутрішнього покриття колби і під дією електричного поля електрони рухаються у вакуумі до анода, створюючи електричний струм.

Фоторезистор — напівпровідниковий елемент, в якому дія світла викликає падіння опору напівпровідника, внаслідок чого струм, що проходить через нього, росте.

У фотодіоді енергія світла перетвориться в електричну енергію завдяки іонізації напівпровідника фотонами і появи пара електрон-дірка, накопичення яких в зоні р-п-перехода приводить до появи фотоЕРС. В результаті в ланцюзі освітленого фотодіода з'являється струм, що використовується, в частности, для створення сонячних батарей.

У фототранзисторі завдяки наявності другого р-n -переходу відбувається значне збільшення струму у вихідному ланцюзі в порівнянні з фотодіодом, т. е. чутливість фототранзистора до світла істотно вища.

Оптичні датчики можуть перетворювати переміщення в електричний сигнал як в аналогове, так і в дискретне ре жимі. У першому випадку оптичний канал має ширину до кількох міліметрів і переміщення непрозорого об'єкту в зоні каналу призводить до його часткового, більшого або меньшему, перекриттю. Відповідно до зміни освітленості приймача випромінювання міняється і вихідний сигнал. Метод зміни світлового потоку використовується, наприклад, при програванні звукового супроводу фільму, записаного на кіноплівку. Зміна освітленості фотоприймача застосовується також для контролю прозорості газу або рідини, поміщених на шляху світлового потоку.

Рисунок 18 - Схема роботи оптичного датчика:

1- джерело випромінювання; 2 — оптичний канал; 3 — приймач випромінюванні

Рисунок 19 – Схема роботи датчика комп’ютерної миші

1 – світлодіод; 2 – оптичний канал; 3 – фотодіод; 4 – шарик; 5 – перериватель потоку.

Дискретний режим використовується, наприклад, в оптичному датчику комп'ютерної миші, принцип роботи якого пояснює рисунок 19. Кутове переміщення зубчастого колеса призводить до періодичного перекриття оптичного каналу кожного разу, коли колесо обертається на кут, що відповідає кроку зубів. В результаті зміни освітленості приймача випромінювання змінюється і значення струму або напруги на його виході. Вихідна величина датчика — кількість імпульсів в ланцюзі приймача випромінювання, причому чим більше переміщення, тим більше кількість імпульсів і менше погрішність перетворення.

Цей же принцип може використовуватися і для виміру лінійних переміщень; досить забезпечити рух датчика Уздовж зубчастої лінійки подібно до того, як це робиться в індукції датчику із зубчастим сердечником.

Оптичні датчики прості, надійні, довговічні, мають Малі масу і розміри, малу інерційність. Їх недоліком мри роботі в аналоговому режимі являється вплив на результат перетворення температури і стану довкілля (захищеності, зовнішнього засвічення і так далі).

Датчики швидкості. Для роботи усіх розглянутих раніше електромагнітних датчиків потрібно джерело живлення. На відміну від них індукційні датчики самі здатні генерувати електричну енергію, тобто вони відносяться до активних (генераторним) датчиків, що перетворює механічну енергію зовнішньої дії на них в електричну енергію. Вхідний параметр індуктивних датчиків — швидкість лінійного або кутового переміщення ой котушки (ротора), в якій і з'являється вихідний сигнал у виді ЕРС.

Рисунок 20 – Схема роботи індуктивного датчика (стрілкою показаний напрям переміщення котушки)

У індукційних датчиках використовується явище електромагнітної індукції, тобто виникнення ЕРС в електричному ланцюзі при зміні магнітного потоку, що пронизує цей ланцюг. Величина що викликає ЕРС залежить від швидкості зміни магнітного потоку, що проходить крізь обмотку датчика, тому індукційні датчики застосовуються для виміру швидкості, лінійного або кутового переміщення (наприклад, в тахометрах або спідометрах автомобілів). Іншим прикладом індукційного датчика є магнітоелектричний мікрофон, що перетворює звукові коливання мембрани, пов'язаної з котушкою, що переміщається в магнітному полі, в електричні сигнали.

Принцип роботи датчика швидкості переміщення рухливої котушки, що дозволяє вивчати характеристики вібраційних процесів, пояснює рисунок 20.

Датчики деформації. Коли деформація настільки мала, що визначити її датчиками переміщення неможливо або може бути викликана додатком досить великої сили, яку іншим способами виміряти неможливо використовують тензометричні датчики на основі тензорезисторів.

Рисунок 21 - Тензорезистор

Робота цих датчиків заснована на явищі тензоефекту, т. е. зміні активного електричного опору провідника при його механічній деформації. Як відомо, опір металевого провідника пропорційно його довжині і обернено пропорційно до площі поперечного перерізу. При розтягуванні провідника його довжина збільшується, а площа перерізу зменшується, і така подвійна дія призводить до помітної зміни його опору.

Зазвичай тензорезистори виготовляються у вигляді зігзаго образно укладеного і наклеєного на тонкий папір дроту (рисунок 41) діаметром 0,02...0,05 мм або фольги, покритої згори захисним лаком. Для зручності подальшої обробки сигналу використовуютьпроволікатиму із сплавів з високим питомим опором — манганіну, константана або ніхрому. Шар, що проводить, може бути також виготовлений напиленням на підкладку у вакуумі (напилюються не лише метали, але і напівпровідники).

Тензорезистор наклеюється на елемент, що деформується. Вихідна величина тензорезистора — зміна опору — пропорційна деформації елементу. Опір перетворюється в напругу відповідним пристроєм нормалізації сигналів.

Тензометричні датчики прості, не дороги, мають лінійну функцію перетворення, малі габаритні розміри і мас-су. Їх погрішність складає від 0,1 до 5 %.

Недоліками тензодатчиків є мала чутливість І невеликий діапазон вимірюваних деформацій, слабкий вихіднй сигнал, а також залежність вихідної величини від температури. Температура не лише впливає на опір тензорезистора, але і викликає додаткову деформацію елементу, тому доводиться проводити калібрування вже наклеєного тензорезистора.

Датчики сили. Для виміру сили можна використовувати перетворювачі, спільно з датчиками переміщення або деформації. Але існують датчики, які безпосередньо перетворюють силу в електричний сигнал. Розглянемо два види таких датчиків: магнітопружні і п'єзоелектричні.

.

Рисунок 22 – Схема роботи магнітопружного датчика сили

У основі роботи магнітопружних датчиків лежить зміна магнітної проникності феромагнітних тіл під дією прикладеної сили. Збільшення сили, прикладеної до магнітопроводу (рисунок 1), веде до зменшення магнітної проникності матеріалу сердечника і відповідно до зменшення індуктивності обмотки. В результаті змінюється струм в обмотці, який і являється вихідною величиною датчика. На жаль, ці зміни лінійні лише в невеликому діапазоні зміни сили.

На відміну від індуктивних і трансформаторних перетворювачів, магнітопружні датчики мають суцільного сердечника і можуть бути як дросельного (з однією обмоткою), так і трансформаторного типів. У датчику трансформаторного типу змінюється коефіцієнт трансформації, за рахунок чого змінюється вихідна напруга на вторинній обмотці.

Чутливість магнітопружних датчиків складає близько 1 мВ/Н. Вони можуть застосовуватися для виміру як постійних, так і таких, що змінюються сил.

У п'єзоелектричних датчиках використовується п'єзоефект, який полягає у виникненні різнойменних електричних зарядів на протилежних гранях деяких кристалів (кварц) або кераміки (титанат барії) під дією сили (рисунок 23). Різниця потенціалів між гранями являється вихідний величиною такого датчика.

На жаль, при незмінній прикладеній силі різниця потенціалів швидко убуває, оскільки заряди «стікають» з кристала через довкілля. Тому п'єзодатчики використовують тільки для виміру сил, що змінюються, або прискорень, на-пример при дослідженні вібрацій. Широко відомий приклад застосування цих датчиків — звукознімачі програвачів грамплатівок і п'єзоелектричні мікрофони.

Рисунок 23 – Схема п'єзоелектричного датчика сили: а – дія тиску на кристал; б – виникнення різниці потенціалів при стисненні кристала

Простота і надійність п'єзодатчиків забезпечили зручність їх застосування в автоматичних системах.

Датчики температури. У автоматичних системах знайшли широке застосування датчики двох видів: на основі термоелектричних перетворювачів (термопар) і терморезисторів.

Термопара — це електричний ланцюг, складений з двох різнорідних провідників. Місце їх з'єднання називають гарячим спаєм. Якщо температура спаю відрізняється від температури вільних виводів провідників, то між виводами виникає електрорушійна сила, пропорційна різниці температур між ними і спаєм. Таким чином, термопара — це активний (генераторний) датчик, здатний перетворювати теплову енергію безпосередньо в електричну, — термоЕРС. Кінці термопари поміщають в середу з постійною, зокрема кімнатною, температурою і сполучають з вимірювальним пристроєм сполучною лінією (мал. 24), до матеріалу якої при точних вимірах пред'являються особливі вимоги.

Величина термоЕРС залежить від матеріалу провідників, які утворюють термопару, яка, у свою чергу, визначається діапазоном вимірюваних температур. Наприклад:

· мідь-константан — до 300 °С;

· мідь-нікель — до 600 °С;

· хромель-копель — до 800 °С;

· хромель-алюмель — до 1 300 °С;

· платина-платинородій — до 1 600 °С.

Рисунок 24 – Коло з термопарою: 1, 2 – різнорідні проводники

Залежно від матеріалів термопари величина термоЕРС (вихідна величина датчика) складає від десятків мікровольт до десятків мілівольт.

Оскільки гарячі середовища зазвичай агресивні, термопару поміщають в герметичний сталевий або фарфоровий корпус, від якого її електрично ізолюють, наприклад азбестом або фарфором (рисунок 25). Дроти термопари мають бути довгими, щоб їх вільні кінці можна було помістити в середовище з температурою, при якій велося градуювання термопари. Не дивлячись на малі габаритні розміри самого спаю в цілому термопара має діаметр робочої частини в межах декількох міліметрів (від 1 до 10) і довжину від 10 до 100 см. Безкорпусні термопари можуть використовуватися для точкового визначення температури, оскільки розмір самого спаю менше 1 мм.

Рисунок 25 - Пристрій датчика на основі термопари: 1 — спай; 2 — захисна трубка; 3 — пробка; 4 — виводи; 5 — ізолятор; 6 — фарфоровий наконечник

Термопари — єдиний засіб для виміру дуже високих температур в діапазоні 1 500... 2 500 °С.

Терморезистор — це спіраль з дроту або стержень з напівпровідника, поміщені в захисний корпус, подібний до корпусу термопари. Висока теплопровідність корпусу забезпечує передачу теплоти до терморезистора. Як відомо, при зміні температури опір і провідників, і напівпровідників міняється, але по-різному: з ростом температури опір провідників практично лінійно збільшується, а напівпровідників — нелінійно зменшується.

Серед металевих терморезисторів найбільші розповсюдження отримали мідні і платинові. Терморезистори (термометри опору ТСМ) мідні найдешевші; їх використовують в температурному діапазоні — 50...+180 °С. Терморезистори платинові (ТСП) дорогі, але вони працюють у більш широкому діапазоні (— 200... +650°С) і є найбільш точними засобами виміру температури (погрішність — від 0,001 °С).

Вихідна величина терморезисторів — зміна опору. Із-за малого власного опору металевих терморезисторів (десятки ом) на результат перетворення сильно впливає опір лінії зв'язку, що змушує до прийняття спеціальних заходів, зокрема, використанню трьох- або чотирьох провідникових ліній зв'язку терморезистора з вимірювальним ланцюгом пристрою нормалізації сигналів (рисунок 26). У такій лінії відносно великий струм живлення терморезистора / протікає по одній парі дротів, створюючи в ній помітне падіння напруги, зате інформаційний сигнал у вигляді напруги на терморезисторі I/ передається у вимірювальний ланцюг практично без втрат, оскільки струм в цій парі провідників із-за високого вхідного опору вимірювального ланцюга дуже малий.

Рисунок 26 - Підключення датчика чотирипровідною лінією

Велика інерційність терморезисторів (до декількох хвилин) не дозволяє застосовувати їх для виміру швидких перепадів температури.

Напівпровідникові терморезистори мають більш високу чутливість, менші габаритні розміри і дозволяють вимірювати температури, близькі до абсолютного нуля (від — 270 °С). Їх основний недолік — істотна нелінійність функції перетворення при дуже великому діапазоні зміни власного опору, що ускладнює побудову вимірювальних ланцюгів. Так, опір терморезистора ТПК-620 при температурі — 269 °С складає близько 10 000 Ом, а при +20 °З — всього 0,002 Ом.

Дата добавления: 2017-01-14