|
| |
|
Слаботочка Книги 6.2. ПОЛУЧЕНИЕ И ОТОБРАЖЕНИЕ ИНФОРМАЦИИ Оптроны и оптронные микросхемы занимают прочные позиции в бесконтактной дистанционной технике оперативного получения и точного отображения информации о характеристиках и свойствах весьма различных (но природе и назначению) процессов и объектов. Уникальными возможностями в этом плане обладают оптроны с открытыми оптическими каналами. Среди них онтоэлектроиные прерыватели, реагирующие на пересечение оптического канала непрозрачными объектами, и отра-грательные оитроны, у которых воздействие светоизлу-чателей на фотоприемники всецело связано с отражением излучаемого потока от внешних объектов. Круг применений оитронов с открытыми оптическими каналами обширен и разнообразен. Уже в 60-е годы оптроны подобного тина эффективно исиользовались для регистрации предметов и объектов. При такой регистрации, характерной в первую очередь для устройств авто- магического контроля и счета объектов, а также дл5 обнаружения и индикации различного рода дефектов отказов, важно четко определить местонахождение объекта или отразить факт его существования. Функции регистрации оитроны выполняют надежно и оперативно. Важно, однако, подчеркнуть, что в целом весьма разнообразные применения разобщенных оптронов претерпевают качественную перестройку: все чаще приборы и микросхемы с открытыми оптическими каналами используются не столько для элементарной регистращ» предметов и объектов, сколько для весьма точного и де тального исследования их характеристик и свойсп [12-16]. Выделим в этом плане контроль качества не] чатных соединений и символов, анализ «тонких» поверх] постных эффектов, регистрацию микроиеремещени! объектов, измерение давления, температуры, различных] перенапряжений, обнаружение дыма и т. п. Принципы построения устройств с разобщенным!-оптронами в значительной степени аналогичны схемо-j технике устройств с замкнутыми оптическими каналами. Однако при исиользовании разобщенных оптронов важно нейтрализовать влияние внешней («паразитной») засветки. Определенные технические трудности возникают так}ке при обеспечении четкой дистанционной ориентации элементов разобщенного онтрона и исследуемого объекта. 238 Структурная схема микроэлектронного элемента с открытым оптическим каналом, способного различать границы черной и белой иоверхностей, представлена на. рис. 6.8,а. Влияние фототока, обусловленного постоянным внешним освещением приемника, существенно не проявляется, если светодиод возбуждается импульсными сигналами длительностью до 30 мкс, следующими, с частотой 1 ...10 кГц. Поэтому в схему рис. 6.8,а, кроме усилителей У/ и У2, введен генератор импульсов (мультивибратор) G, а в качестве выходного регистрирующего элемента действует триггер Т. Схемный состав Чертя поверхте/776  Одъгт  Выход . Н \ Выход делая \ родерхнос/7?ь а) д) Рис. 6.8. Оптоэлектронные датчики объектов \ подобных датчиков может в зависимости от конкретного назначения и особенностей эксплуатации заметно изменяться: например, в качестве каскада, управляющего светоизлучателем, часто используется транзисторный генератор синусоидальных колебаний, а информация об ,объекте, регистрируемая фотоириемником, может быть на выходе датчика представлена в аналоговой форме. , Полезные сигналы, всецело связанные с действием светодиода, четко выделяются с помощью вспомогатель-, ной схемы совпадений (рис. 6.8,6). Сигналы на выходе такого датчика формируются только на стадиях возбуждения излучателя, синхронно с импульсами задающего - генератора G. Случайные (несинхронные) изменения фо-тотока в рассматриваемой схеме мало влияют на амплитуду выходных импульсов. Оптоэлектронная система [14], представленная на рис. 6.9, измеряет интенсивность светового луча, проникающего через объект или среду в оптическом канале между светодиодом и фотодиодом. Синхроимпульсы прямоугольной формы, следующие с частотой 1 кГц и скважностью 1:10, через биполярный транзистор ТЗ периодически включают и выключают светоизлучатель. Эти же импульсы управляют полевыми транзисторами Т2 и Т1, с помощью которых к выходу операционного усилителя У/ поочередно подключаются усилители У2 и УЗ. рабочего такта всецело связано с действием светоизлу-чателя. При возбужденном светодиоде транзистор Т2 включен и напряжение с выхода усилителя У1 поступает иа конденсатор С2. Это же напряжение сохраняется на конденсаторе С2 в паузе между синхронизирующими импульсами (при выключенном транзисторе Т2). Усилитель УЗ в выходной цепи устройства действует в качестве развязывающего каскада. -1- Т1 -ЬЛЭ1 -ХЛдэ1 выход -о П Одьект Cu/fxp. Рис. 6.9. Датчик оптического поглощения, вносимого объектом % Для уменьщения чувствительности системы к окружающему свету и электрическим наводкам выходной сигнал усилителя У1 при выключенном светодиоде по низкоомной цепи с включенным транзистором Т1 поступает в интегратор, состоящий из усилителя У2 и конденсатора С1. Выходное напряжение интегратора поступает на неинвертирующий вход усилителя У1 и компенсирует напряжение, действующее на его инвертирующем входе; таким образом, выходное напряжение усилителя У1 при выключенном светодиоде весьма невелико. Очередной синхроимпульс, возбуждающий излучатель, размыкает цепь с транзистором Т1 и отключает щ интегратор от выходной цепи усилителя У1. Однако кон- Щ денсатор С1 сохраняет напряжение на неинвертирующем входе У1 и по-прежнему компенсирует «паразитное» влияние внещнего света и электрических наводок. Поэтому напряжение на выходе усилителя У1 в течение 240 Рис. 6.10. Оптроииыи датчик в системе регулирования скорости вращения Рассмотренный принцип компенсации побочных опти-V ческих и электрических факторов несложно (без сущест-венных изменений) использовать при построении однотипных устройств с отражательными оптронами. По данным [14], оптоэлектронная система, показанная на I \ рис. 6.9, с высокой точностью измеряющая оптическое 1 поглощение (или отражение), вносимое объектом или средой, может с успехом применяться в медицинской аппаратуре, на предприятиях, выпускающих бумагу, ткани, краски, в устройствах обнаружения дыма. Использование оптопар с гибкими волоконно-оптическими световодами существенно усиливает технические возможности оптронов на стадиях получения и отображения информации и заметно расширяет области их эффективного применения. На рис. 6.10 представлена структурная схема системы контроля и регулирования скорости вращения электромотора 3 [15]. Скорость - вращения контролируется «длинным» оптроном, состоя- щим из светоизлучателя 7, фотоприемника 8 и зонда 5, оптически связанных гибкими световодами. В процессе вращения вала электромотора зонд воздействует и реагирует на белые и черные метки, нанесенные на муфту 4, жестко соединенную с валом. Таким образом, скорость вращения вала однозначно определяет частоту импульсов, регистрируемых фотоприемником. , Сигналы на выходе фотоприемника 8 подаются на счетное устройство 9, синхронизируемое генератором 6 стабильной частоты. Блок 10 преобразует цифровые данные о скорости вращения вала в аналоговую информацию, которая по цепи обратной связи передается  Одъвнт Рис. 6.11. Оптронный повторитель профиля поверхности в устройство 2, контролирующее скорость вращения электромотора. В итоге возможные изменения скорости вращения, связанные с нестабильностью источника возбуждения и благодаря действию следящей обратной связи с оптронным датчиком скорости, четко контролируются и корректируются. На базе оптрона с разомкнутым оптическим каналом , сравнительно несложно построить датчик точного расстояния до объекта или бесконтактное устройство, имитирующее профиль поверхности [16]. Схема такого повторителя профиля представлена на рис. 6.11. Оптронный датчик состоит из светоизлучателя, фотоприемника и стекловолоконного световода Y-образной формы. Чувствительным элементом (зондом) оптрона является небольшая (по площади) область разлома световода, ориентированная на поверхность исследуемого объекта. Оптические сигналы, посылаемые излучателем, достигают фотоприемника только из-за отражения от объекта. В практической схеме (рис. 6.11) светоизлучатель возбуждается через усилитель тока У1 сигналами синусоидальной формы, следующими с частотой 50 Гц. Сигналы возбуждения через резистор R2 подаются и на вход усилителя У5. На этот же вход (но в противофазе). 242 поступают сигналы от фотоприемника, усиленные секцией У2. Соотношение сопротивлений токоограничиваю-щих резисторов R1 и R2 выбирается таким образом, чтобы выходной сигнал усилителя УЗ сохранялся весьма небольшим (нулевым), когда расстояние оптического зонда от поверхности отражения невелико (10...20мм). Сигнал с выхода усилителя УЗ возбуждает обмотку, контролирующую фазу небольшого 50-Гц сервомотора. Мотор соединен с концом оптронного датчика таким образом, чтобы зонд передвигался перпендикулярно исследуемой поверхности. По логике функционирования схемы рис. 6.11 мотор Ьтремится удерживать зонд оптронного датчика на постоянном расстоянии от поверхности объекта. Поэтому при движении объекта или оптронного датчика зонд «следит» за изменениями рельефа поверхности и тем самым «повторяет» ее профиль. Бесконтактное устройство (рис. 6.11) особенно полезно в тех случаях, когда исследуемая поверхность легко разрушается от прикосновений. Оптический зонД, в частности, уверенно воспроизводит профиль песчаного дна, скрытого небольшим слоем воды. По данным [16], даже поверхности, слабо отражающие свет (например слой угольной пыли) удовлетворительно контролируются оптронным датчиком с разомкнутым оптическим каналом. В заключение отметим заметный прогресс монолитных (интегральных) схем с чувствительными фотоприемниками. Согласно [17] интегральный фотодетектор содержит фотодиод и мощный усилитель фототока, а также цифровые №Л-с.хемы и линейные биполярные схемы. Детектор в состоянии обнаружить движение объекта на расстоянии 2,5 м в.сфере наблюдения диаметром 60 см. Среди полезных применений ИС с чувствительными фотоприемниками выделим измерение тгбраций механизмов и крыльев самолетов, фундаментов машин, зданий, мостов. Такие схемы весьма удобны для изучения движения конечностей человека и животных. Отметим н «чисто житейские» применения ИС с фотодетекторами: в электронных игрушках, в системах тревожной сигнализации, в бесконтактных, дистанционных переключателях телевизоров, магнитофонов и т. д. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 [39] 40 41 42 43 44 45 |