Применение фотоэлектрических датчиков

Фотоэлектрические датчики получили очень широкое рас­пространение в системах автоматики и имеют хорошую перспекти­ву дальнейшего распространения. Наиболее часто они используют­ся в схемах релейного действия, где выдают дискретный сигнал: «Освещено» или «Затемнено».

. Фотореле состоит из осветителя, создающего световой поток, и приемника излучения (фотоэлемента, фоторезистора, фотодиода или фототранзистора). Приемник излучения включен в цепь обмот-

ки электромеханического реле (непосредственно или чаще через усилитель). При попадании светового потока на приемник скачком изменяется фототок и срабатывает реле, осуществляя необходимые переключения в схеме управления каким-либо устройством. Такие фотореле используются в турникетах, пропускающих пассажиров в метро, фиксируют достижение различными механизмами опреде­ленных положений, очень широко применяются в автоматических устройствах защиты обслуживающего персонала от производствен­ных травм. Когда рука рабочего случайно пересекает световой барьер, ограждающий опасную зону, подается предупреждающий сигнал или механизм вообще останавливается. С помощью фото­датчиков осуществляется считывание дискретной информации с перфоленты. Информация на такой ленте записана с помощью от­верстий, пробиваемых в определенных местах. Наличие отверстия "означает цифру 1, а отсутствие отверстия — цифру 0 в двоичном коде. Каждому разряду в двоичной форме счисления соответствует место расположения отверстий на перфоленте. Перфолента про­кручивается между осветительной лампой и несколькими фотодат­чиками (рис. 12.5, а), количество которых соответствует числу счи­тываемых разрядов. Для таких целей могут использоваться специ­альные полупроводниковые приборы, объединяющие в одной кон­струкции несколько фотодатчиков. Эти фотодатчики располагаются в одну линию друг за другом, например так называемая линейка фотодиодов. Имеются и фото диодные матрицы, где фотодатчики расположены, как клетки в таблице.

Линейку фотодиодов используют для измерения размеров дета­ли, перемещаемой на конвейере. Деталь перекрывает световой по­ток (рис. 12.5, б) и затемняет такое количество фотодиодов, кото­рое соответствует высоте детали.

Изменение длины перемещаемой детали может выполняться и по сигналу одного фотодатчика (рис. 12,5, в). Деталь, пересекая передней кромкой световой барьер, дает сигнал на подсчет числа импульсов. Когда фотодатчик снова освещается, подсчет импуль­сов заканчивается. По зафиксированному счетчиком количеству импульсов определяется длина движущегося предмета. Датчик им­пульсов кинематически связан с приводом конвейера. Поэтому колебания скорости движения детали не влияют на точность изме­рения ее длины.

Рассмотрим применение фотоэлектрических датчиков для пре­образования угла поворота в цифровой код (рис. 12.6, а, б). Осве­титель направляет световой поток через прозрачный диск, на ко­торый фотохимическим способом нанесена кодовая шкала с про­зрачными и непрозрачными участками. С другой стороны диска расположены фотоприемники, количество которых равно числу раз­рядов двоичного числа. На рис. 12.6 показан кодовый диск с шестью разрядами. Самый старший разряд расположен ближе все­го к центру диска. Прозрачный участок означает двоичную циф­ру «1», непрозрачный — двоичную цифру «О». Если во всех разря­дах стоит «О», то это двоичный код числа 0. Если во всех разрядах стоит «1», то это двоичный код десятичного числа 63 (1111112= =63₁₀). Свет, проходя через кодовый диск, попадает на фотопри­емники. Наличие выходного сигнала с фотоприемника принимается за «1», отсутствие — за «0». Такое устройство называется аналого-цифровым преобразователем или кодовым датчиком.

Для измерения крутящего момента применяются фотоэлектри­ческие торзиометры. Перед проволочными тензометрами они имеют то преимущество, что не нуждаются в токосъемном устройстве. Они обеспечивают бесконтактный съем сигнала с вращающегося вала. Принцип действия фотоэлектрического торзиометра показан на рис. 12.7. На испытуемом валу 1 укреплены два диска 2, имеющие прорези (окна) в радиальном направлении. Эти диски вращаются вместе с валом. Под действием момента нагрузки вал скручивает­ся и диски смещаются друг относительно друга на угол, пропор­циональный моменту и расстоянию между дисками. На неподвиж­ной части торзиометра расположены источник света 3 (лампа на­каливания) и два фотоприемника 4. Лампа помещена посередине между дисками, а фотоприемники расположены по обе стороны дисков. При отсутствии крутящего момента прорези правого и ле­вого дисков находятся на одной оси и световой поток одновременно попадает на оба фотоприемника. Следовательно, в этом случае фо-

готоки обоих приемников будут совпадать по фазе. При увеличении крутящего момента диски смещаются друг относительно друга и освещение фотоприемников будет происходить не одновременно, а со сдвигом во времени. Поэтому фототоки приемников 4 окажут­ся сдвинутыми по фазе. Количество прорезей на каждом диске и расстояние между ними обычно выбирают так, чтобы при макси­мальном крутящем моменте фазовый сдвиг между фототоками со­ставлял 180°. Измерительная цепь прибора осуществляет измере- ние фазового сдвига между тока­ми, или измерение времени между импульсами фототоков.

В последнее время в качестве источников света для фотоэлектри­ческих датчиков все чаще применя­ются не лампы накаливания, а све-тодиоды, имеющие большую на­дежность и очень малое потребле­ние электроэнергии для питания.

Вообще надо отметить, что сей­час очень быстро развивается опто-электронная техника, которая обе­спечивает как преобразование энер гии света в электроэнергию, так и обратное преобразование.

В ка­честве датчиков положения, определения качества поверхностей, для считывания графической информации начинают применяться отражательные оптроны.

Для высокоточных измерений малых перемещений используют фотоэлектрические датчики, у которых между источником света и фотоприемником помещаются диски или линейки из прозрачного материала с нанесенными на них непрозрачными штрихами. В на­стоящее время известны линейки, имеющие до тысячи штрихов на 1 мм длины. Поэтому даже при малом перемещении линейки воз­никает значительное изменение сигнала фотоприемника. Еще более высокую чувствительность можно получить с использованием двух линеек, штрихи одной из которых выполнены с небольшим накло­ном. При взаимном перемещении таких линеек возникает так на­зываемый «муаровый» эффект. При незначительном перемещении линеек появляются темные «муаровые» полосы и световой поток, падающий на фотоприемник, резко изменяется.

Во всех рассмотренных выше примерах са"й фототок не влиял на точность измерения или преобразования. Фотоприемники рабо­тали не в аналоговом, а в дискретном режиме. Такой режим позво­ляет иметь более простые конструкции и схемы приборов, так как не требуется обеспечить высокую стабильность светового потока и напряжения питания.

Однако фотоэлектрические датчики используются и в аналого­вом режиме, когда именно по значению фототока определяется из меряемая неэлектрическая величина. При измерении высоких тем­ператур (более 1000 °С) широкое распространение получили пиро­метры, использующие лучистую энергию тел, температура которых измеряется. С помощью фотоэлектрических датчиков построены яркостные пирометры и цветовые пирометры.

Фотоэлектрический яркостный пирометр основан на использо­вании зависимости между током фотоэлемента и температурой Т источника излучения, освещающего фотоэлемент. Эта зависимость имеет вил , где коэф­фициент а зависит от

чувстви­тельности фотоэлемента, а п — от его спектральной ха­рактеристики. Коэффициент п достигает 10—12 и может быть увеличен подбором соот­ветствующих светофильтров. При использовании в каче­стве фотоприемников фоторе­зисторов их включают в мос­товую схему (рис. 12.8). На фоторезистор ФР1 падает световои поток от контролируемого объекта. На фоторезистор ФР2 падает световой поток от лампочки накаливания.

При нарушении баланса моста напряжение с его измерительной диагонали пода­ется на усилитель, который питает лампу накаливания и изменя­ет ее накал таким образом, чтобы уменьшить разбаланс моста. Амперметр в цепи лампы накаливания может быть проградуиро-ван в единицах температуры. Градуировка проводится по показа­ниям образцового пирометра.

В основу работы фотоэлектрических цветовых пирометров по­ложено следующее физическое явление, называемое законом сме­щения. При нагреве тело излучает световой поток, где присутству­ют разные цвета, т. е. имеются электромагнитные колебания с раз­ными длинами волн. Однако каждой температуре соответствует определенная длина волны, на которой интенсивность излучения максимальна.

В цветовых пирометрах определяется отношение интенсивно-стей излучения данного тела в лучах двух заранее выбранных длин волн. Это отношение для каждой температуры будет различным, оно однозначно определяет температуру тела.

На рис. 12.9 показана схема фотоэлектрического цветового пи­рометра. Излучение от объекта измерения А поступает на фото­элемент 1 через диск 2, в котором попеременно расположены крас­ные и синие светофильтры. Диск приводится во вращение с посто­янной скоростью электродвигателем 3. Таким образом, на фотоэлемент попеременно попадают то красные, то синие лучи. Син­хронно с вращением диска 2 усиленный сигнал с фотоэлемента переключается коммутатором 4, выделяющим два сигнала: соот­ветствующий интенсивности красных лучей и соответствующий ин­тенсивности синих лучей. Измеритель отношения сигналов (напри­мер, логометрического типа) проградуирован в единицах темпера­туры.

Представляет интерес использование фотоэлектрического дат­чика в измерителе влажности (психрометре). Влажность можно определить по так называемой «точке росы». Известно, что водя-

нои пар, имеющийся в газе, начинает конденсироваться (осаждать­ся в виде росы) при определенной температуре, зависящей от влажности. Для определения начала осаждения росы и служит фо­тодатчик. Луч осветителя падает на маленькое зеркальце и отра­жается на фотоприемник. Поверхность зеркальца может охлаж­даться и нагреваться системой терморегулирования, включаемой по сигналу фотодатчика. Если температура зеркала понижается до точки росы, то появляющийся на поверхности зеркала туман умень­шает световой поток, падающий на фотоприемник, и фототок резко уменьшается. Срабатывает реле, включающее нагреватель зерка­ла. Спустя некоторое время температура зеркала повысится, туман на нем исчезнет, фототок резко возрастет и сработает реле, вклю­чающее охладитель зеркала. Таким образом, температура заркаль-ца будет непрерывно колебаться относительно точки росы. Изме­ряя ее с помощью терморезистора или термопары, можно опреде­лить влажность.

Фотоэлектрические датчики применяют для измерения различ­ных неэлектрических величин. В машиностроении применяются фотоэлектрические датчики размеров деталей. С помощью оптиче­ских систем можно спроецировать контур маленькой детали на весьма большую площадь, что существенно повышает чувствитель­ность и точность измерения. В механических контактных датчиках для этого потребовались бы рычажные системы, которые бы оказы­вали силовое воздействие на деталь. А фотоэлектрический датчик не нагружает деталь. С его помощью можно контролировать раз­меры хрупких и непрочных деталей и узлов.

Применяются фотоэлектрические датчики для определения за-дымленности и загазованности при промышленных выбросах в ат мосферу, что очень важно для охраны природы и здоровья людей. Фотоэлектрические колориметры, блескомеры, нефелометры позво­ляют объективно оценить качество изготовления и отделки различ­ных изделий по их цвету, полировке, прозрачности соответственно. С помощью фотоэлектрических датчиков выполняется автоматиче­ское прочтение машинописных и рукописных буквенных и цифро­вых текстов.

Глава 13

УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ ДАТЧИКИ

Принцип действия и назначение

Работа ультразвуковых датчиков основана на взаимо­действии ультразвуковых колебаний с измеряемой средой. К ульт­развуковым относят механические колебания, происходящие с ча­стотой более 20 000 Гц, т. е. выше верхнего предела звуковых ко­лебаний, воспринимаемых человеческим ухом. Распространение ультразвуковых колебаний в твердых, жидких и газообразных сре­дах зависит от свойств среды. Например, скорость распростране­ния этих колебаний для разных газов находится в пределах от 200 до 1300 м/с, для жидкостей —от 1100 до 2000, для твердых мате­риалов— от 1500 до 8000 м/с. Очень сильно выражена зависимость скорости колебаний в газах от давления.

Различны коэффициенты отражения ультразвуковых волн на границе раздела разных сред, различна и звукопоглощательная способность разных сред. Поэтому в ультразвуковых датчиках ин­формация о различных неэлектрических величинах получается бла­годаря измерению параметров ультразвуковых колебаний: времени их распространения, затухания амплитуды этих колебаний, фазо­вого сдвига этих колебаний.

Ультразвуковые методы измерения относятся к электрическим методам постольку, поскольку возбуждение ультразвуковых колебаний и прием этих колебаний выполняются электрическим способом. Обычно для этого используют пьезоэлементы и магнито-стрикционные преобразователи. В гл. 7 были рассмотрены пьезо­электрические датчики, преобразующие давление в электрический сигнал. Это прямой пьезоэффект. Он используется в приемниках ультразвукового излучения. Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в сжатии и растяжении пьезокристалла, к которому приложено переменное напряжение. Для возбуждения ультразву­ковых колебаний и используется этот эффект. Таким образом, пьезоэлемент может использоваться попеременно то излучателем, то приемником ультразвуковых колебаний.

Магнитострикционные излучатели ультразвука используют яв­ление деформации ферромагнитов в переменном магнитном поле.

Поясним работу ультразвукового датчика на примере эхолота — прибора для измерения глубины моря (рис. 13.1). При подаче пе­ременного напряжения на пьезоэлемент 1 возбуждаются ультра­звуковые колебания, направленные вертикально вниз.

Отраженный ультразвуковой импульс воспринимается пьезоэлементом 2. Электрический прибор 3 измеряет время t между посылаемым и принимаемым импульсами. Глубина моря пропорциональна этому времени и скорости распространения звука v в во­де:

h=vt/2. (13.1)

Шкала прибора градуируется непо­средственно в метрах. Аналогично дей­ствует ультразвуковой локатор, опреде­ляющий расстояние до препятствия на пути корабля в горизонтальном направ­лении. Некоторые животные (например, летучие мыши и дельфины) имеют орга­ны ориентировки, действующие по прин­ципу ультразвукового локатора.

Ультразвуковые колебания имеют энергию значительно большую, чем зву­ковые, поскольку энергия пропорцио­нальна квадрату частоты. Кроме того, сравнительно просто осуществляется на­правленное излучение ультразвука.

С помощью ультразвуковых датчиков обнаруживают дефекты в металлических деталях: трещины в изделиях, полости в отливках и т. д. Ультразвуковые датчики играют важную роль в дефекто­скопии, в неразрушающих методах контроля. Кроме того, ультра­звуковые датчики используются в приборах для измерения расхо­да, уровня, давления.