Краткие сведения о принципе работы и конструкции фотоэлектрических индикаторов

Конструкции типовых фотоэлектрических индикаторов, предназначенных для измерения линейных размеров, достаточно разнообразны. Среди них различают бесконтактные фотоэлектрические индикаторы, иначе называемых датчиками положений или расстояний (датчики фирм Turck, ERVIN, SICK, PEPPERL&FUCHS, OMRON), основанные на измерении расстояний с помощью лазерных диодов [3]; контактные, в которых использовано растровое сопряжении линейных шкал [4]. Бесконтактные индикаторы, в основном, используются для обнаружения объектов и реже - для измерения расстояний, при этом погрешность измерения достигает больших величин.

Контактные индикаторы выпускаются разными компаниями.

Рис. 1.

Рассмотрим его ? в качестве примера.

Принцип действия контактного индикатора поясним на рис. 1.

Рис. 1. Функциональная схема индикатора ЛИР-17И:

1-измерительный оптический растр; 2 - источник излучения;

3 - индикаторный оптический растр; 4 - фотоприёмник; 5 - измерительный

шток; 6 - преобразователь сигнала U₁; 7 - преобразователь сигнала U₂;

8 - сигнал сканирования; 9 - умноженная оценка сигнала (интерполяция);

10 - цифровой дисплей

Линейное перемещение штока 5 преобразуется с помощью измерительного 1 и индикаторного 3 оптических растров в изменение светового потока, падающего на фотоприёмники 4, которые вырабатывают пропорциональные аналоговые электрические сигналы U₁ и U₂. Эти сигналы усиливаются, обрабатываются и из них формируются счётные электрические импульсы.

Функция, связывающая перемещение штока с числом n счётных импульсов, имеет вид

,

где Т - период деления растров, к - коэффициент деления интерполятора, А - цена счетного импульса в линейной мере.

Конструкция этого преобразователя приведена на рис. 2.

Рис. 2. Устройство фотоэлектрического преобразователя линейных перемещений ЛИР-17

Основные узлы фотоэлектрического преобразователя линейных перемещений (ПЛП):

- шток 1 с запрессованным на нем ограничителем 2 перемещается в подшипнике качения, наружная обойма 3 которого запрессована в корпусе 4;

- растровая шкала 5 в оправе жестко связана через ограничитель со штоком;

- узел считывания в составе индикаторной пластины 6, платы осветителей 7 и платы фотоприемников 8, смонтированных на оправе 9, крепится к корпусу 4 через штифт 10, что позволяет создавать наклон индикаторной пластины относительно шкалы для обеспечения параллельности штрихов их растров.

Шток, ограничитель и растровая шкала образуют подвижный модуль, способный совершать поступательные перемещения относительно индикаторной пластины в пределах хода штока. Параллельно перемещению штока в корпус установлена направляющая 11. Двумя винтами 12 выбирается зазор между ограничителем и направляющей, что исключает разворот подвижного модуля.

Усилие, обеспечивающее постоянный контакт наконечника 13 с поверхностью контролируемого объекта и возврат штока в исходное положение (при любой ориентации ПЛП в пространстве), создается работающей на растяжение цилиндрической пружиной 14. Один конец пружины закреплен на стойке 15 неподвижной части ПЛП, а другой - на ограничителе 2 подвижного модуля.

Со стойкой 15 жестко связан кронштейн 16 с закрепленным на нем нормирующем преобразователем 17. Через отверстия в кронштейне пропущены провода от плат узла считывания к нормирующему преобразователю.

Кабель 18 обеспечивает питание ПЛП и его связь с устройством приема информации потребителя. В ПЛП моделей ЛИР-15, ЛИР-17 кабель вклеен в отверстие корпуса 4, к которому крепится кожух 19. В ПЛП модели ЛИР-14 положение кабеля фиксируется прижимом 20, что предохраняет распайку кабеля на плате нормирующего преобразователя. Выходящий из ПЛП конец кабеля проходит через ниппель 21, зафиксированный прижимом 22 на крышке 23 кожуха 24.

Фотоэлектрический индикатор можно построить и на основе позиционно-чувствительного приемника мультискан.

Линейный многоэлементный фотоприемник мультискан предназначен для электрических измерений пространственных характеристик оптического излучения. Мультискан включает в себя линейку 2 фотоприемных элементов (фотодиодов) и систему обрамления (резистивный слой), обеспечивающую предварительную обработку изображения (рис. 3 а), [1,2].

Рис. 3. Общий вид фотоприемника мультискан;

а – конструктивные параметры: б – схема формирования выходного сигнала

Мультискан имеет следующие параметры в режиме координатоуказателя [1]:

Рабочее поле………………………………….. ……………. 18 мм;

Минимальная мощность светового пятна ……………….. 10^-7 Вт;

Область спектральной чувствительности ……………….. 180-1060 нм.

В случае использования в индикаторе мультискан работает в режиме координатоуказателя, т.е. с фотоприемника снимается аналоговый сигнал— напряжение, пропорциональное расстоянию от светового пятна до какого-либо из контактов 3 или 4 (рис. 3).

В режиме координатоуказателя на один из делительных слоев мультискана подается опорное напряжение, а с другого снимается напряжение сигнала, пропорциональное координате светового пятна на мультискане [1], (рис.3б)

, где U_aus- выходное напряжение, снимаемое с мультискана, х– расстояние от одного из контактов до энергетического центра падающего светового пятна, L - длина светочувствительного слоя мультискана (рабочее поле).

Рассмотрим более подробно структуру мультискана с точки зрения точностных параметров. Погрешность работы любого фотоэлектрического приемника состоит из 2 основных частей:

- погрешностей, заложенных в процессе разработки и изготовления фотоприемника (конструкторско-технологических);

- погрешностей, связанных с влиянием внешних рабочих факторов (эксплуатационных).

Так как мультискан по своей структуре является дискретным датчиком, а выходное напряжение является аналоговым сигналом, то очевидно, что точность аппроксимации положения „центра тяжести" светового пятна [1] в промежутках между дискретными диодами соседних ячеек определяется однородностью делительного слоя на малых участках R (рис 3 б), а общая нелинейность будет связана с нелинейностью распределения опорного напряжения U_o по опорному делительному слою , т. к. R_n=R_n+i, где (n= 1,2,3,...).

Кроме того, очевидно, что при малом входном сопротивлении устройства, принимающего сигнал с мультискана, значительный вклад в нелинейность внесут сами фотодиоды, в частности, неодинаковость их чувствительности от диода к диоду внутри мультискана. Значит, в мультискан уже при разработке заложена конструкционно-технологическая погрешность ∆_k, которая состоит из следующих составляюших

∆_k= ∆_кн + ∆_кд + ∆_кR,

где ∆_{к н}- погрешность от неоднородности делительных слоев, ∆_кд- погрешность от неодинаковости фотодиодов, ∆_kR- погрешность от неодинаковости расстояний между фотодиодами.

Очевидно, что достичь равенства R_n=R_n+1 и равенства расстояний S_n между соседними диодами S_n=S_n+i, где (n=l,2,3,..) невозможно и значит ∆_k≠0 и ее величина зависит от технологии изготовления мультискана.

На точность работы мультискана будут влиять также климатические факторы, в частности, основные из них - влажность и температура.

Мультискан имеет очень малые выходные токи (порядка 10 нА-10 мкА) и при повышенной влажности возможно возникновение ложных токов утечки, складывающиеся с рабочим сигналом и вносящие значительную погрешность в работу мультискана (конструктивно мультискан не герметизирован). Изменение же температуры в процессе работы мультискана приведет к следующему:

1) изменению рабочей длины кристалла 2 и подложки 1 (см. рис. 3 а);

2) изменению фоточувствительности диодов;

3) изменению положения мультискана относительно рабочего светового пятна.

Кроме этого на работу мультискана влияют :

1) нестабильность опорного напряжения U_o;

2) случайные, нерабочие засветки;

3) сильные электромагнитные поля и т.д.

Таким образом, комбинация влияний из всех выше перечисленных факторов приведет к некоторой суммарной погрешности мультискана.

В ряде случаев (автоматическое регулирование, прицели­вание) характеристика точности должна отражать в первую очередь стабильность, повторяемость, сходимость, т. е. бли­зость друг к другу результатов повторного функционирова­ния прибора по одному и тому же объекту, выполняемому в одинаковых условиях.

Такой характеристикой может служить погрешность ста­бильности (повторяемости, воспроизводимости) [2] результатов функционирования — разность значений i-x информативных параметров выходного сигнала прибора, соответствующих одному и тому же значению i-го информативного параметра объекта, при повторных циклах функционирования

∆y_iksp= y_ik + y_is,

где y_ik и y_is-значения информативного параметра выходного сигнала при k-м и s-м циклах повторного функционирования.

Наиболее полной характеристикой точности является погрешность результата процесса функционирования — разность между изменением i-го информативного параметра выходного сигнала прибора y_{t и}и его расчетным (номинальным) изменением y_tиo, соответ­ствующих одному и тому же изменению i-ro информативного параметра объекта x_iиo

∆y_iрпф= y_iи - y_iио.

Структурная схема устройства индикатора на основе мультискана приведена на рис. 4.

Рис. 4. Структурная схема индикатора,

1 – измерительный шток, 2 – светодиод, 3 – мультискан, 4 – блок питания и электроники, 5 – цифровой дисплей.

При перемещении измерительного штока 1 происходит смещение центра светового пятна, создаваемого светодиодом 2, на светочувствительной площадке мультискана 3, с которого снимается аналоговый электрический сигнал U=U_aus.

Искомое перемещение х и величина электрического сигнала связаны выражением

.

Внешний вид установки приведен на рис. 5.

Рис. 5. Внешний вид лабораторной установки:

1 – фотоэлектрический индикатор; 2 –фиксатор вертикальной подвижки; 3 - измерительный шток индикатора; 4 – измеряемая концевая; 5 – штатив; 6 – фиксатор поворотный; 7 – блок сопряжения; 8 – пиктограмма запуска программы работы индикатора; 9 – дисплей; 10 – клавиатура; 11 – концевые меры; 12 – кнопка включения блока сопряжения.

Лабораторная установка (рис. 5) состоит из фотоэлектрического индикатора 1, закрепленного на штативе 5 соответствующими фиксаторами 2, 6, наборов концевых мер 4, 11, устанавливаемых на столик штатива поочередно. Индикатор электрическим шлейфом подключен через блок сопряжения 8 к персональному компьютеру, имеющим в своем составе дисплей 9 и клавиатуру 10. При включении питания на системном блоке компьютера и блоке сопряжения (кнопка 12) на экране дисплея можно запустить программу 8 («Multiscan.exe»)для индикации отсчетов индикатора на экране.

Вид интерфейса программы приведен на рис. 6.

Рис. 6. Интерфейс программы,

1 – текущий отсчет; 2 – возможное перемещение измерительного штока; 3 – кнопка обнуления отсчета индикатора; 4 – кнопка подключения\отключения порта.

Порядок выполнения работы

5.1. Внимательно изучить настоящее описание лабораторной работы.

5.2. Включить в сеть персональный компьютер, дождаться загрузки операционной системы и запустить программу работы с индикатором, кликнув мышкой по пиктограмме с именем «Multiscan.exe». Включить питание (кнопка 12) на блоке 7 (рис. 5). Вид интерфейса программы приведен на рис. 6.

5.3. Для дальнейшей работы индикатора необходимо подключить порт для приема информации с индикатора, нажав кнопку «Подключить» (поз. 4).

5.4. Провести измерения стабильности при многократных измерениях. Число измерений и размер концевой меры определяет преподаватель.

5.5. Измерить точность функционирования индикатора, проведя измерения для концевых мер размером 20, 40, 60 и 80 мм. ? Каждое измерения проводится не менее 10-х раз. (Задание уточнить у преподавателя).

5.6. По результатам выполнения пункта 5.4. построить полигон рассеяния.

5.7. По результатам выполнения пункта 5.5. построить график изменения погрешности индикатора.

5.8. По результатам работы составить отчет, который должен содержать следующее: цель работы; сведения о назначении и устройстве фотоэлектрического индикатора; его основные отличия от индикатора ЛИР; краткий принцип работы индикатора на основе фотоприемника мультискан; результаты измерений; графики.

Вопросы для подготовки к работе

6.1. Объяснить принцип действия преобразователя линейных перемещений с фотоприемником мультискан.

6.2. Дать определение погрешности прибора.

6.3. Объяснить методику измерения погрешности функционирования индикатора.

6.4. Объяснить методику определения стабильности индикатора.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Подласкин Б.Г., Дич Л.З., Токранова Н.А. Экспериментальное исследование параметров фотоприемников "мультискан" в режиме координатоуказателя. // Письма в ЖТФ, 1994, т.20, вып.2, 6 стр.

2. Латыев С.М. Конструирование точных (оптических) приборов. СПб, Политехника, 2007, - 579 с.

3. ЗАО «ТЕХНОЭКСАН» - Каталог продукции (позиционно-чувствительный приёмник «Мультискан») [Электронный ресурс]/ ЗАО «ТЕХНОЭКСАН»-режим доступа: www.technoexan.ru .

4. Датчики перемещения СКБ ИС - ЛИР-14 (Инкрементный преобразователь линейных перемещений) [Электронный ресурс]/ Датчики перемещения СКБ ИС – режим доступа: www.skbis.ru.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 8