Оптические измерительные преобразователи

Представляют очень широкую группу контактных\бесконтактных устройств, использующихся в машиностроении и приборостроении. В основу принципа работы таких преобразователей положено воздействие входной величины (линейного или углового перемещения) на интенсивность излучаемых источником оптических потоков в виде электромагнитной энергии, заряженных частиц или теплового излучения. В оптическом диапазоне видимого\невидимого спектра электромагнитного излучения, как правило, используются длинны волн ¥ от 0,001 до 300мкм что соответствует частотам от 10¹² до 10¹⁷ герц. Структурная схема преобразователя, работающего в области оптического спектра излучения может быть представлена в виде обобщенной модели «излучатель-приемник».

Воздействие входной величины X – перемещение на поток на излучения f2 может осуществляться по двум путям:

1) измеряемая величина X1 воздействует непосредственно на источник излучения, изменяя тот или иной параметр оптического потока f1;

2) измеряемая величина X2 модулирует (изменяет) соответствующий параметр потока f2 в процессе его распространения по оптическому каналу.

Источники излучения для оптических преобразователей

Подразделяются на тепловые и люминесцентные.

К тепловым относятся галогеновые лампы накаливания и ртутнокварцевые точечные лампы. К люминесцентным источникам относят электролюминофоры, газоразрядные лампы, излучающие светодиоды, частотностабильные оптические квантовые генераторы (ОКГ).

ОКГ(газовые или твердотельные лазеры) позволяют получить остронаправленные интенсивные пучки монохроматического света. Они работают как в импульсном, так и в непрерывном режимах в диапазоне длин волн ~ 630-695нанометров с углом расходимости всего в 10-20 минут. К основным фотометрическим величинам источников излучения относят: силу света (КД-кандела), световой поток(лм-люмины), яркость источника (кд\м²).

Приемники оптического излучения

Разделяют на две большие группы: тепловые и фотоэлектрические.

К тепловым относят термоэлементы и болометры (термометры сопротивления).

Тепловой приемник состоит из тонкого металлического диска 1, зачерненного слоем 2 и термочувствительного элемента 3, измеряющего температуру диска. Выходная величина приемника пропорциональна интегральной мощности потока f, падающего на его приемную площадку излучения и не зависит от спектрального состава этого излучения.

К фотоэлектрическим приемникам (фотоэлементам) относятся преобразователи, в которых используются явления фотоэффекта. Выделяют вакуумные и газонаполненные элементы, фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы. При попадании тока в открытое пространство цепи возникает ток в цепи катод-анод. Катод –фоточувствительный элемент. Световой поток, попадающий на фотоэлемент изменяется по закону: Ф=(I*S_ф)\x² I-сила источника света, кандела S_ф – активная площадь элемента, метркв X² расстояние от источника до фотоэлемента.

Более высокую чувствительность до 10^-6мкА\люмен можно получить с помощью фотоумножителей. В фотоумножителе для усиления выходного тока используются вторичная электронная эмиссия. Для этого, помимо анода и фотокатода, в баллон вводятся вторичные катоды (эмиттеры). Эмиттеры запитываются постоянным напряжением с помощью делителя.

Электрические угломеры

2 типа: с использованием круглых резисторов по окружности и гироскопические преобразователи угловые(гироскоп).

Поворотные шифраторы

Поворотные шифраторы - преобразователи, в которых при измерении углов в качестве рабочей меры используются специальные круговые диски, с нанесенным двоичным кодом.

Наибольшее распространение получили датчики с фотолектрическим методом считывания угловой информации. Основным его элементом является кодирующий диск, несущий на прозрачной основе непрозрачный кодовый рисунок. Свет, проходя сквозь призрачные участки диска попадает на расположенные за ним фотоэлементы, преобразующие оптические сигналы в электрические. Кодирование производится специальным циклическим кодом, так называемым кодом Грея, помехозащищенный код. Датчики с оптическими кодовыми дисками могут иметь очень высокую разрешающую способность. Так даже, например, даже 12-ти разрядный кодовый диск 4 096 градаций, с погрешностью 0,1 угловая минута. Современные оптические датчики угловых перемещений с кодирующими дисками используются при решении широкого круга задач в различных областях науки и техники. Обусловлено следующими основными свойствами поворотных шифраторов: высокая разрешающая способность (до 30 разрядов); универсальность (при установке мерных колес на вал шифратора, обеспечивается возможность измерения линейных перемещений до нескольких метров; высокая надёжность и помехозащищенность; возможность сопряжения со стандартными интерфейсами (цифровыми интерфейсами); малые габариты и вес. Высокое разрешение поворотных шифраторов (до долей угловых секунд) достигнуто благодаря применению высоких технологий. Создан эталонный шифратор оптический, имеющий разрешающую способность 2²¹ отсчета. Различают два вида поворотных шифраторов: шифраторы приращений и абсолютные шифраторы.

Шифраторы приращений предназначены для определения скорости вращения, ускорения и направления вращений. Т.е. данные преобразователи индицируют только перемещение при движении. Скорость вращения определяется на основе подсчета импульса за заданный период времени, при этом к датчику подключается счетчик числа оборотов и количества импульсов. Абсолютные шифраторы выдают конкретное кодированное цифровое значение для каждого углового положения вала. Данные о текущем положении вала доступны сразу после включения датчика.