Читайте также:
|
по дисциплине: «Сенсорные и электронные элементы мехатронных систем»
«Исследование оптического датчика»
Выполнил: ст.гр. АКТ-42д
Шмидман А.А.
Проверил: Сопин Ю. К.
Севастополь
Цель работы: изучение принципа действия оптоэлектронных преобразователей, исследование их характеристик и способов применения в системах автоматизации.
Краткие теоретические сведения:
Оптический датчик (ОД) включает излучатель и приемник светового потока, объединенные оптическим каналом связи. Для создания светового излучения используются, светодиоды, а для приема − фотодиоды, фототранзисторы фоторезисторы. Светодиоды − полупроводниковые диоды, излучающие пучки света при прохождении электрического тока в проводящем направлении. В зависимости от состава полупроводникового материала, создается световой поток различной длины волны 
. Стабилизация прямого тока светодиода и предотвращение лавинообразного пробоя 
перехода осуществляется при помощи последовательного резистора 
. Фотодиоды – полупроводниковые диоды, принцип действия которых основан на фотоэлектрическом эффекте в полупроводнике (монокристаллическом кремнии или германии), имеющем обедненный носителями заряда слой. При облучении перехода диода световым потоком фотоны (кванты оптического излучения), проникающие в кристалл, поглощаются, а в обедненном слое создаются пары носителей электрического заряда (дырок или электронов), которые, разделяясь, формируют электрический фототок.
В параметрическом режиме под действием светового потока изменяется рабочее (внутреннее) сопротивление фотодиода. В этом режиме к фотодиоду приложено обратное напряжение смещения 
через ограничивающий резистор . Световой поток обусловливает увеличение обратного тока 
фотодиода. В генераторном режиме при номинальном прямом токе излучателя на выводах фотодиода генерируется разность потенциалов 
фото-ЭДС. Если сопротивление внешней нагрузки 
фотодиода значительно превышает его рабочее сопротивление (режим холостого хода), то 
статический потенциал открытого pn-перехода (для кремния 
; для германия 
). При работе на низкое сопротивление нагрузки (режим короткого замыкания) в цепи фотодиода формируется фототок , пропорциональный силе светового излучения.
Для измерения фототока и фото-ЭДС применяются схемы с операционным усилителем (ОУ). При использовании повторителя напряжения на базе ОУ с высоким входным сопротивлением выходное напряжение 
(Рисунок 2, а). Поскольку дифференциальные входы ОУ эквипотенциальны (напряжение 
), фототок 
проходит через резистор обратной связи , а выходное напряжение 
.
Фототранзисторы обладают внутренним усилением фототока базы. Базово-коллекторный переход фототранзистора соответствует фотодиоду, а остальные параметры аналогичны транзистору в ключевом режиме.
Фоторезисторы – пассивные компоненты (полупроводниковые кристаллы, диэлектрики), изменяющие свое электрическое сопротивление под воздействием светового потока. Полупроводниковые кристаллы имеют обедненный слой зарядов, поэтому их сопротивление не зависит от направления тока. Диэлектрики (например, сульфид кадмия) также изменяют свое электрическое сопротивление под влиянием света и радиации.
Оптический датчик фирмы «FESTO»
Для дистанционного измерения объектов используются оптические рассеивающие датчики, которые чувствительны к отражающей способности поверхностей. Внешний вид оптического рассеивающего датчика фирмы «FESTO» представлен на рисунке 1.
Оптический датчик (ОД) включает фотоэлектронный ресивер (передатчик и приемник светового потока), волоконно-оптический кабель и электронику, обрабатывающую информационный сигнал приемника. Передатчиком является инфракрасный светодиод, а приемником − фотодиод, активный в инфракрасном спектре излучения. Световой поток передатчика, отражаясь от объекта, попадает на приемник. При помощи оптико-волоконного кабеля ОД может быть установлен вблизи контролируемого объекта.
Структурная схема оптического рассеивающего датчика представлена на рисунке 2.
Рисунок 1 - Внешний вид оптического рассеивающего датчика
Рисунок 2 - Структурная схема оптического рассеивающего датчика
1 – Осциллятор.
2 – Фотоэлектрический передатчик.
3 – Фотоэлектрический приемник.
4 – Логический оператор. 5-Усилитель. 6-Линеаризатор.
7 – Преобразователь напряжение/ток. 8-Внешний источник напряжения.
9 – Внутренний источник напряжения. 10-Оптическое расстояние.
11 – Информационный токовый сигнал.
Принцип действия оптического рассеивающего датчика заключается в следующем. Осциллятор 1 управляет фотоэлектрическим передатчиком 2, излучающим пульсирующий световой поток (частота пульсаций 
). Фотоэлектрический приемник 3 распознает частотныйсигнал осциллятора 1 с помощью схемы логического умножения 4. Выходной сигнал логической схемы 4 усиливается по напряжению усилителем 5 и линеаризуется в блоке 6. На выходе преобразователя 7 формируется токовый сигнал ОД.
Состав экспериментального стенда фирмы «FESTO»
Экспериментальный стенд включает функциональный набор тест-объектов (таблица 1), поперечную плиту, на которой закреплены позиционер с оптическим датчиком и электронным штангенциркулем, цифровой мультиметр и блок питания.
Таблица 1 – Перечень функциональных тест-объектов FP1120
| № объекта | Форма объекта | Материал объекта | Цвет объекта | Назначение объекта |
| Прямоугольник | Оцинкованная сталь | Серый | Измерение жесткости материала | |
| Квадрат | Нержавеющая сталь | Зеркальный | ||
| Алюминий | Серебристый | |||
| Латунь | Золотистый | |||
| Медь | Медный | |||
| Квадрат | Пластмасса | Белый/Серый | Калибровка функции преобразования датчика | |
| Квадрат | Пластмасса | Серый | Измерение оптической прозрачности среды | |
| Оргстекло | Прозрачное | |||
| Пластмасса | Красный | |||
| Синий | ||||
| Черный | ||||
| Белый | ||||
| Пластина без выступа | Пластмасса | Темно-серый | Измерение толщины материала | |
| Пластина с выступом | ||||
Результаты эксперимента:
1. Определения дальности действия оптического датчика.
(мм), 
(мА),
(мА), 
(мм),
, 
(мм).
2. Измерение функции преобразования оптического датчика.
В таблицах 2 и 3 приведены снятые показания мультиметра в ходе эксперимента по перемещению тест – объектов № 8 и № 23 относительно оптического датчика.
Таблица 2 – Функция преобразования оптического датчика для белой поверхности тест-объекта № 8
| s, мм | |||||||||||||||
| I, мА | 3,25 | 3,26 | 3,26 | 3,26 | 3,27 | 3,27 | 3,29 | 3,3 | 3,8 | 4,25 | 4,7 | 6,85 | 9,8 | ||
| s, мм | |||||||||||||||
| I, мА | 14,3 | 16,6 | 18,9 | 21,5 | 23,3 | 25,8 | |||||||||
Таблица 3 – Функция преобразования оптического датчика для серой поверхности тест-объекта № 23
| s, мм | ||||||||||||||
| I, мА | 5,2 | 5,5 | 5,6 | 5,8 | 6,2 | 6,5 | 6,9 | 7,4 | 7,9 | 8,6 | 10,7 | 12,8 | 15,1 | |
| s, мм | ||||||||||||||
| I, мА | 17,4 | 19,6 | 21,5 | 23,9 |
Графики зависимости среднего значения силы тока от расстояния до оптического датчика 
представлены на рисунке 3.
 |
Рисунок 3 – Графики зависимостей среднего значения силы тока I на выходе оптического датчика от расстояния s до него I=φ(s), для тест-объектов №8 и №23
3. Измерение диаграммы направленности оптического датчика.
В таблице 4 приведены значения силы тока на выходе оптического датчика в зависимости от различного угла поворота тест-объекта №23 относительно датчика.
Таблица 4 – Измерение диаграммы направленности оптического датчика
Тест-объект № 23 (серая поверхность);  4 (мм)
| ||||||||
Угол 
| 2,5 | 5,0 | 7,5 | 10,0 | 15,0 | 20,0 | 25,0 | |
| Выходной ток , мА
| 6,5 | 8,1 | 11,5 | 14,5 | 17,5 | 20,5 | ||
| Угол
| − 2,5 | −5,0 | −7,5 | −10,0 | −15,0 | −20,0 | −25,0 | |
| Выходной ток , мА
| 4,5 | 3,8 | 3,4 | 3,0 | 2,3 | 1,5 | 0,5 | |
Тест-объект № 23 (серая поверхность);  8,5 (мм)
| ||||||||
| Угол
| 2,5 | 5,0 | 7,5 | 10,0 | 15,0 | 20,0 | 25,0 | |
| Выходной ток , мА
| 11,5 | 16,5 | 19,5 | 22,5 | 25,5 | |||
| Угол
| − 2,5 | −5,0 | −7,5 | −10,0 | −15,0 | −20,0 | −25,0 | |
| Выходной ток , мА
| 8,9 | 7,9 | 7,2 | 6,5 | 5,6 | 4,5 | 3,2 | |
Тест-объект № 23 (серая поверхность);  12,6 (мм)
| ||||||||
| Угол
| 2,5 | 5,0 | 7,5 | 10,0 | 15,0 | 20,0 | 25,0 | |
| Выходной ток , мА
| 16,5 | 18,1 | 20,1 | 21,5 | 24,5 | 27,6 | 30,6 | |
| Угол
| − 2,5 | −5,0 | −7,5 | −10,0 | −15,0 | −20,0 | −25,0 | |
| Выходной ток , мА
| 13,1 | 11,5 | 10,1 | 9,4 | 8,5 | 7,5 | 6,3 |
Графики зависимости силы тока от угла поворота тест-объекта относительно оптического датчика 
представлены на рисунках 4 и 5.
 |
 |
 |
 |
 |
 |
Рисунок 4 – График зависимости среднего значения силы тока I на выходе ОД от угла порота α>0° тест-объекта №23, при расстоянии s1= 4 (мм), s2= 8,5 (мм), s3=12,6 (мм)
 |
 |
Рисунок 5 – График зависимости среднего значения силы тока I на выходе ОД от угла порота α <0° тест- объекта №23, при расстоянии s1= 4 (мм), s2= 8,5 (мм), s3=12,6 (мм)
4. Измерение толщины материала оптическим датчиком.
В таблице 5 приведены значения силы тока на выходе оптического датчика в зависимости от различного расстояния тест-объекта № 23 относительно датчика.
Таблица 5 – Калибровка оптического датчика толщины тест-объект № 23
| s, мм | |||||||||||
| I, мА | 0,9 | 1,8 | 2,9 | 3,5 | 4,5 | 5,5 | 7,5 | 8,5 | |||
| s, мм | 12,5 | 17,5 | 22,5 | 27,5 | |||||||
| I, мА | 10,5 | 12,9 | 14,6 | 16,9 | 18,9 | 20,5 | 22,5 | 25,4 |
График зависимости значения силы тока от расстояния до оптического датчика I=φ(s) представлен на рисунке 6.
Рисунок 6 – График зависимости силы тока I на выходе оптического датчика s от расстояния до него I=φ(s), для тест-объекта № 23
В таблицах 6 и 7 приведены экспериментальные данные опыта по определению толщины тест-объектов.
Таблица 6 – Выходной ток датчика для тест-объектов № 24-27
 15 мм
| ||||
| I, мА | Пластина № 24 | Пластина № 25 | Пластина № 26 | Пластина № 27 |
| 7,8 | 5,6 |
Таблица 7 – Измерение толщины материала оптическим датчиком
| Тест-объект | Ток I, мА | Расстояние  мм
| Разность  мм
|
| Пластина 24 | |||
| Пластина 25 | 11,9 | 3,1 | |
| Пластина 26 | 7,8 | 9,1 | 5,9 |
| Пластина 27 | 5,6 | 6,5 | 8,5 |
В таблице 8 приведены результаты расчета погрешности измерений толщины тест-объекта оптическим датчиком.
Таблица 8 – Определение погрешности измерения толщины
 15 мм
| ||||
| Тест-объект | Измерение
штангенциркулем
 мм
| Измерение
датчиком
 мм
| Абсолютная
погрешность
измерения
 мм
| Относительная
погрешность
измерения
 %
|
| Пластина № 24 | 1,06 | 0,06 | 5,66 | |
| Пластина № 25 | 3,06 | 3,1 | 0,04 | 1,31 |
| Пластина № 26 | 6,00 | 5,9 | 0,1 | 1,67 |
| Пластина № 27 | 8,85 | 8,5 | 0,35 | 3,95 |
Выводы:
– исследованный в работе датчик работает на оптоэлектронном эффекте – явление возникновения электрического тока в полупроводнике при его световом облучении.
– исследованный в работе датчик, является оптическим рассеивающим датчиком, который представляет собой генератор тактовых импульсов посылаемых на фото-излучатель, принимаемых фотоприемником. Результат логически перемножается с входными импульсами, усиливается и преобразуется в выходной ток.
– используя оптический датчик, можно определять значения жесткости исследуемого объекта, различать цвет и шероховатость и определить линейные геометрические параметры исследуемых объектов.
Дата добавления: 2015-07-11; просмотров: 151 | Нарушение авторских прав
| <== предыдущая страница | | | следующая страница ==> |
| Одномерные массивы | | | МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ |