Optyczne przetworniki przemieszczenia.

Przemysław Socha
Optyczne przetworniki przemieszczenia.
Optyczne przetworniki przemieszczenia są często stosowane ze względu na szybkość
przekazywania informacji, dokładność oraz duży zakres pomiarowy. Mogą służyć do
sprawdzania poprawnośći wykonania elementów, zliczania elementów na taśmie
produkcyjnej, jako zabezpieczenie przed zagrożeniami wywołanymi rychem maszyn na hali
produkcyjnej, pomiarów ilości materiałów sypkich w zbiornikach, pomiarów przy
odbiorach budynków, czy dokładnych pomiarów odległości od widocznych obiektów w
terenie. Ich główną wadą jest brak możliwości pomiarów materiałów przeźroczystych,
dlatego nie nadają się do pomiarów ilości cieczy w zbiornikach. Ich największą zaletą jest
odporność na zakłócenia spowodowane pracą innych użądzeń w pobliżu czujnika. Pole
magnetyczne pracujących maszyn czy drgania nie mają znaczącego wpływu na pomiar.
Wiadomości wstępne.
Światło jest promieniowaniem elektromagnetycznym. Fala elektromagnatyczne
powstaje w wyniku rozchodzenis się zmiennego pola elektromagnetycznego, wytwarzanego
w skutek ruchu ładunków elektrycznych. Elementarnymi generatorami fal
elektromagnetycznych są drgające elektrony w atomach. Emisja fal emektromagnatycznych
zachodzi w wyniku przejścia elektronów ze stanów o wyższej energii do stanów o niższej
energii. Długość fali wysłanego promieniowania zależy od różnicy energii w obu stanach.
Promieniowanie świetlne stanowi tylko wycinek występujących w przyrodzie fal
elektromagnetycznych. Fale świetlne to fale z zakresu na które reakuje ludzkie oko.
Fale elektromagnetyczne są falami poprzecznymi. Wektory natęrzenia pola
elektrycznego i magnetycznego są wzajemnie prostopadłe i leżą w płaszczyżnie
prostopadłej do wektora prędkości rozchodzenia się fali. Promieniowanie świetlne jest
złożeniem wielu fal, w których wektory pola elektrycznego i magnetycznego są skierowane
we wszystkich możliwych kierunkach. W ośrodkach jednorodnych i izotropowych fale
świetlne rozchodzą się po liniach prostych. Jeśli na drodze światła poruszającego się w
jednym ośrodku znajdzie się inny ośridek, to na granicy ośrodków światło ulegnie zjawisku
odbicia i załamania. Natomiast niejednorodności występujące w ośrodku rozchodzenia się
fali powodują powstawanie zjawiska dyfrakcji światła. Prędkość światła w próżni wynosi c
= 2,99792458 *108 m/s.
Natężeniem światła nazywamy intensywność z jaką źródło światła
wypromieniowywuje światło prostopadle do powierzchni. Jednostką natężenia światła
(inaczej światłości) jest kandela (cd). Kandelę definiuje się w następujący sposób: ciało
czarne, o temperaturze 2000K wypromieniowywuje światło o natężeniu 60 cd z każdego
centymetra kwadratowego swojej powierzchni. Strumień świetlny to wydajność świetlne
źródła emitującego światło we wszystkich kierunkach. Jednostką strumienia świetlnego jest
lumen (lm). Jeden lumen jast równy strumieniowi wysyłanemu przez źródło światła o
natęrzeniu 1cd w jednostkowym kącie bryłowym. W przeliczeniu na jednostki elektryczne
1W=682lm. Natężenie oświetlenia jest miarą jasności powierzchni oświetlanej przez źródło.
Jego jednostką jest luks (lx). Luks definiuje się jako natężenie oświetlenia którego strumień
świetlnu wynosi 1lm padające na powierzchnię 1m2.
Laserowy czujnik odległości.
Laserowe czujniki odległości służą do określania odległości od nieprzeźroczystych
obiektów przy pomocy promieni lasera. Promieniowanie laserowe użyte w tych
przetwornikach, zazwyczaj, znajduje się w paśmie podczerwieni.
Laser.
Laser jest ganeratorem promieniowania spójnego, o małej rozbierzności, zazwyczaj
spolaryzowanego. Wykożystuje zjawisko emisji wymuszonej. Emisja wymuszona to proces
emisji fotonów przez materię w wyniku oddziaływania z innym fotonem. Aby zjawisko
nastąpiło energia fotonu musi być równa energii wzbudzenia atomu. Foton pada na atom
materii w wysokim stanie energetycznym i inicjuje emisję kolejnego fotonu. Wyemitowany
foton ma taką samą częstotliwość, fazę, polaryzację oraz kierunek ruchu co foton inicjujący.
Po wyemitowaniu fotonu atom przechodzi na niższy stan energetyczny. Światło słożone z
takich fotonów nazywa się światłem spójnym.
Lasery składają się z: ośrodka czynnego, układu pompującego i rezonatora
optycznego. Zadaniem ukłądu popującego jest przeniesienie jak największej ilośći
elektronów w ośrodku czynnym do stanu wzbudzonego. Odbywa się to poprzez błysk
lampy błyskowej, błysk innego lasera, przepływ prądu w gazie (wyładowanie elektryczne),
reakcję chemiczną, zderzenie atomów lub wstrzelenie wiązki elektronów do substancji.
Zadaniem rezonatora optycznego jest takie wzmocnienie światła o odpowiednich
parametrach aby zaszła akcja laserowa. Polega to na wielkokrotnym odbiciu fotonów o
określonym kierunku przez zwierciadła. Przechodzą one wiele razy przez ośrodek czynnu
wzbudzając wiele fotonów o tam samym kierunku ruchu. Aby uzyskać konkretną
częstotliwość stosuje się dodatkowe elementy optyczne, ograniczające możliwość odbicia
fal o częstotliwościach innych niż zadane, takie jak siatki dyfrakcyjne lub lustra
interferencyjne. Aby światło laserowe mogło wydostać się na zewnątrz lasera jedno z luster
powinno być częściowo przepuszczalne. Ośrodkiem czynnym lasera może być: gaz np.
argon, mieszanina helu i neonu, azot lub dwutlenek węgla; ciało stałe np. rubin; ciecz np.
rodamina (barwnik fluorowy o barwie czerwonej, stosowany do barwienia wełny, jedwabiu,
papieru i oznaczania jonów metali ciężkich w analizie chemicznej); półprzewodniki np.
diody laserowe.
Metody pomiaru laserowym przetwornikiem odległości.
Laserowe czujniki odległości kożystają z nstępujących metod pomiaru: pomiar czasu
przebycia wiązki laserowej pomiędzy nadajnikiem, obiektem i odbiornikiem; sprawdzania
przesunięcia fazowego fali świetlnej; interferometrii oraz triangulacji.
Pomiar na podstawie czasu w jakim wiązka laserowa przebywa określoną drogę
opiera się na odbiciu promienia lasera od obserwowanego przedmiotu. Czujnik wysyła
impuls światła laserowego i jednocześnie rozpoczyna pomiar czasu jaki upłynie od tego
momentu do powrotu impulsu do odbiornika. Znając prędkość światła w ośrodku w którym
dokonuje się pomiaru, odległość można obliczyć ze wzoru:
d=
c∗t
2
gdzie c to prędkość światła w ośrodku, t to zmierzony czas. Droga to c*t, ale, promień
lasera przebywa tę drogę dwukrotnie, dlatego we wzorze wzięto połowę tej drogi.
W metodzie pomiaru przesunięcia fazowego fali świetlnej wykożystuje się zjawisko
proporcjonalnośći opóźnienia fazowego fali świetlnej od czasu przejścia tej fali. Tutaj
również potrzebne jest odbicie promienia laserowego od obserwowanego obiektu.
Interferometria wykożystuje, do pomiarów, zjawisko interferencji fali świetlnej.
Interferencja fali świetlnej polega na wzmacnianiu lub wygaszaniu dwóch nakładających się
na siebie fal świetlnych. Fale o jednakowej długości wzmacniają się najsilniej jeśli różniaca
ich dróg optycznych jest wielkokrotnością długości fali, a wygasza najmocniej gdy jeżeli
różnica ich dróg optycznych jest nieparzystą wielokrotnością połowy długości fali świetlnej.
Z powyższego rysunuku wynika wzór na wzmocnienie fali w postaci:
dsin =k 
dla k=0,1,2,...
natomiast wzór na wygaszenie fali:
dsin =
k 1
 dla k=0,1,2,...
2
gdzie d to odległość pomiędzy szczelinami, λ – długość fali świetlnej.
Ze zjawiska interferencji kożystają również interferometry. Interferometry mogą być
jednowiązkowe, dwuwiązkowe lub wielowiązkowe. W interferometrze jednowiązkowym
obraz interferencyjny powstaje w wyniku interferencji dwóch prostopadłych składowych
promienia świetlnego. Jest on zbudowany na bazie światłowodu polarnego (specjalnie
przygotowana płytka szklana zdolna prowadzić światło) w którym tylko jesdna ze
składowych promienia jest wrażliwa na zmiany współczynnika załamania światła. W
wyniku zmiany współczynnika załamania pomiędzy składowymi prostopadłymi powstaje
różnica faz. Na wyjściu układu instaluje się polaryzator, co pozwala na uporządkowanie
drgań w jednej płaszczyźnie. Wówczac można obserwować interferencję fal na ekranie. W
interferometrze dwuwiązkowym światło ze źródła jest rozdzielane na płytce
półprzepuszczalnej na dwa promienie. Jeden promień stanowi odniesienie, a drugi podlega
zmianie fazy podczas odbicia od badanego przedmiotu. W wyniku interferencji z
promieniem odniesienie uzyskuje się zmianę obrazu interferencyjnego. W interferometrze
wielowiązkowym obraz interferencyjny powstaje w wyniki nakładania się wielu
przesuniętych w fazie względem siebie promieni.
Metoda triangulacji polega na obliczeniu odległości badanego przedmiotu na
podstawie znajomości długości jednego z boków trójkąta i kątów do niego przyległych z
wykożystaniem twierdzenia sinusów. W laserowych przetwornikach odległości wiązka
światła jest generowana przez nadajnik, następnie odbija się od obiektu pod kątem i trafia
do odbiornika za pośrednictwem układu optycznego. Odbiornikiem są fototranzystory
ułożone w linii prostej. Dokładność pomiaru tą metodą zależy od zakresu pomiarowego. W
dokładnych czujnikach może osiągnąć nawet rząd mikrometrów.
Metodę triangulacji można także wykożystać do tłumienia tła. Zapobiega to
możliwości wykrycia obiektu znajdującego się w odlełości większej od nastawionej strefy
działania czujnika. Wykonuje się to umieszczając nadajnij tak aby strumień światła odbijał
się od obiektu badanego pod kątem ostrym i trafiał do odbiornika ustawionego na
przewidywanej drodze odbitego strumienia światła. Jeżeli światło odbije się od obiektu
położonego zbyt daleko, światło odbite od tego obiektu nie trafi do odbiornika i nie
spowoduje zmiany sygnału wyjściowego. Kształt i barwa obietk mają niewielki wpływ na
pomiar.
Skanery laserowe składają się z wielu laserowych czujników odległości.
Umożliwiają one dokładne zbieranie danych o położeniu w przestrzeni. Skanery dostarczają
danych w sposób ciągły. Ich zbieranie i dostarczanie następuje w czasie rzeczywistym.
Zasięg skanerów laserowych może dochodzić do 50m przy prędkości skanowania nawet 40
razy na sekundę. Skanery o mniejszym zasięgu (5,6m) i mniejszej szybkości (10
razy/sekundę) mogą mieć wymiary 50x50x70mm. Takie małe stkanery mogą być zasilane
przez port miniUSB napięciem 5VDC.
Zastosowanie.
Laserowe przetworniki odległości, dzięki dużemu zasięgowi (do 20km) i dość dużej
dokładności (do 1m przy zakresie 10km, dla małych zakresów do 1μm), mają wiele
zastosowań. Można ich używać do pomiaru szerokości paczek na liniach transportowych,
wymiarowania opakowań, pomiaru poziomu materiałów sypkich, pomiaru odległości palet
od czujnika, wyznaczenia ilości papieru nawiniętego na rulon, do pomiarów długości ścian
budynków, w sporcie do np. do pomiaru odległości do dołka w golfie, w wojsku. Skanery
laserowe 3d wykożystuje się w procesie projektowania odwrotnego, czyli procesie
projektowania dokonywanego na bazie istniejących obiektów oraz jako przetworniki
odległości w robotach mobilnych i autonomicznych wózkach magazynowych.
Czujniki odbiciowe.
Działanie czujników odbiciowych opiera się na zjawisku odbicia światła. Składają się
z nadajnika – najczęściej diody pracującej w podczerwieni, i odbiornika – fototranzystora.
W czujnikach odbiciowych nadajnik oraz odbiornik znajdują się w jednej obudowie.
Zjawiska odbicia, załamania oraz rozchodzenia się światła można wytłumaczyć na
podstawie zasady Fermata. Mówi ona, że: "Światło przebiegające między dwoma punktami
wybiera drogę, na przebycie której trzeba zużyć w porównaniu z innymi, sąsiednimi
drogami extremum czasu (zwykle minimum)". Czas przebycia przez światło określonej drogi
S w środowisku jednorodnym optycznie wynosi t=S/v. W ośrodku niejednorodnym, tj.
takim, w którym prędkość światła zmienia się, drogę S można podzielić na odcinki dS. Czas
przebycia odcinka dS wynosi dS/v. Wtedy całkowity czas przebycia drogi S wyraża się
wzorem:
t=∫
dS
v
Powyższą całkę można wyrazić w postaci:
t=
1
∫ ndS
c
gdzie n=c/v to bezwzględny wspóczynnik załamania światła1. Stąd możemy wyznaczyć
drogę optyczną w ośrodku niejednorodnym:
l=∫ ndS
ponieważ ekstemalna wartość czasu związana jest z ekstremalną wartością drogi optycznej:
l=ct. Zasada Fermata tłumaczy prostoliniowy bieg światła w ośrodku jednorodnym – linia
prosta jest najkrótszą linią łączącą dwa punktu w przestrzeni.
Na powyższym rysunku widać, że promień światła wychodzący z punku A pada na
powierzchnię w punkcie B i odbija się trafiając do punktu C. Zgodnie z zasadą Fermata
punkt B musi być umieszczony tak aby czas przebycia drogi przez światło był minimalny.
Odległość między punktami ABC wynosi:
l= a 2b2 b−x 2 c 2 y 2
Aby była ona najmniejsza y musi być równy 0. Wynika stąd, że: "Promień padający,
promień odbity i normalna do powierzchni granicznej dwu ośrodków, wystawiona w
punkcie padania promieniowania, leżą w tej samej płaszczyźnie". Teraz wyznaczamy
1 Współczynnik załamania światła względem próżni będącą ośrodkiem odniesienia przy określaniu współczynnika
załamania, dlatego, że światło jest jedynym rodzajem fali mogącej rozchodzić się w próżni
pochodną dl/dx i porównujemy ją do 0:
dl
x
b− x
= 2 2−
=0
dx  a x b−x 2c 2
co można zapisać w następujący sposób:
x
b−x
=
2
 a x b−x 2c 2
2
Otrzymany związek można przedstawić w postaci:
sin 1=sin 2
a z tego wynika, że 1=2 . Otrzymana zależność to prawo odbicia: "Kąt padania jest
równy kątowi odbicia".
Zasięg czujników odbiciowych zależy od mocy nadajnika użytego w czujniku oraz
własności powierzchni odbijającej światło takich jak: wielkość, postać, barwa. W zależnośći
od rodzaju powierzchni odbijającej przyjmuje się odpowiedni współczynnik korekcyjny,
np.:
papier biały ma współczynnik korekcyjny 1,
metal błyszczący – 1,2-1,6;
aluminium anodowane na kolor czarny – 1,2-1,8;
biały styropian – 1,
szare PCV – 0,5;
surowe drewno – 0,4.
Często stosuje się płytki znormalizowane, które odbijają 90% padającego na nie
światła. Sposób w jaki czujnik i płytka są względem siebie ustawione nie ma większego
znaczenia, o ile płytka płytka może znaleźć się na tyle blisko czujnika by odbijać światło
nadajnika. W strumieniu światła nadajnika można wyróżnić krzywą zbliżania się obiektu.
Gdy obserwowany obiekt zbliży się do tej krzywej, światło przez niego odbite trafia do
odbiornika. Wtedy następuje przełączenie i zmiana sygnału wyjściowego. Maksymalna
odległość płytki od czoła czujnika, mierzona wzdłuż osi strumienia świetlnego, przy której
następuje przełączenie to strefa czułośći czujnika.
Odległość od czujnika przy jakiej następuje przełączenie przy zbliżaniu obiektu jest
różna od odległości przy jakiej następuje przełączenie przy oddalaniu obiektu. Różnica tych
dwóch wielkości to pętla histerezy czujnika.
Przetworniki odbiciowe są zasilanie prądem stałym o napięciu 5-30V. Charakteryzują
się małym poborem prądu ze źródła zasilania. Można je zasilać napięciem stabilizowanym
lub niestabilizowanym. Wielkość tętnień przy napięciu niestabilizowanym zależy głównie
od użytego w czujniku fototranzystora. Zazwyczaj nie może przekroczyć 10% napięcia
zasilania.
Odbiornikiem światła w czujnikach odbiciowych jest fototranzystor. Fototranzystor
to, w zasadzie, połączenie fotodiody i tranzystora. Składa się z 3 warst półprzewodnika o
zmieniających się kolejno typach przewodnictwa (n-p-n lub p-n-p). Złącze kolektor-baza
wykonane jest jako fotodioda. Gdy światło pada na element światłoczuły następuje
przepływ prądu bazy i wzmocnienie go przez prąd kolektora. Dzięki temu można sterować
prądem kolektora poprzez sygnały świetlne.
Czujniki odbiciowe stosuje się do kontroli położenia ruchomych części maszyn,
identyfikacji obiektów znajdujących się w zasięgu działania czujników np. przesuwające się
taśmy transportowe. Można je wykożystać równierz do określania poziomu cieczy i
materiałów sypkich w zbiornikach. W standardowych czujnikach odbiciowych obiekt
obserwowany może być oddalony od czujnika nawet o 2m.
Większy zasięg mają czujniki refleksyjne, bo nawet do 8m. Działają one podobnie do
czujników odbiciowych. Jednak tytaj to nie obiekt odbija światło nadajnika, ale reflektor
ustawiony na stałe na przeciw czujnika. Gdy jakiś obiekt przesłoni reflektor, wtedy strumień
światła z nadajnika nie odbije się od reflektora i nie trafi do odbiornika. Powoduje to zmianę
sygnału wyjściowego z czujnika. Przetworniki refleksyjne można stosować np. do zliczania
ilośći przedmiotów na taśmie produkcyjnej.
Aby zapobiec zmyleniu czujnika refleksyjnego przez falę świetlną odbitą od innego
obiektu niż reflektor i powstawaniu błędów wskazań stosuje się filtry polaryzacyjne. W
świetle naturalnym drgania wektora świetlnego (wektora pola elektrycznego) zachodzą we
wszyskich możliwych kierunkach, prostopadłych do kierunku rozchodzenia się światła.
Wynika z tego, że światło składa się z dużej liczby ciągów fal wysyłanych przez pojedyncze
atomy. Ponieważ wektor świetlny z ciągów fal jest zorientowany przypadkowo wszystkie
kierunki drgań są tak samo prawdopodobne. Światło, w którym kierunki drgań są w jakiś
sopsób uporządkowane, nazywamy światłem spolaryzowanym. Ponadto, jeżeli zachodzą w
jednej płaszczyźnie to takie światło nazywamy liniowo spolaryzowanym. Aby otrzymać
światło spolaryzowane liniowo stosuje się polaroidy. Przepuszczają one jedynie te fale,
których kierunek drgań jest równoległy do kierunku polaryzacji. Fale, w których kierunek
drgań jest prostopadły do kierunku polaryzacji są całkowicie pochłaniane. Polaroidy
zbudowane są z długich włukien pomiędzy którymi znajdują się wąskie szczeliny. Właśnie
przez te szczeliny przechodzi światło mające kierunek drgań sgodny z kierunkiem szczelin.
Filtry polaryzacyjne używane w czujnikach refleksyjnych składają się z polaroidów i
lustra pryzmatycznego, które odwraca polaryzację. Taki filtr stanowi selektywną barierę
zapobiegającą wpływowi światła odbitego od obserwowanego obiektu, natomiast
przepuszcza światło odbite od reflektora.
Pomiar przemieszczenia przy pomocy matryc CMOS.
Czujniki, których zasada działania, oparta jest o sensor optyczny, służą do pomiaru
przemieszczenia obiektu na płaszczyżnie. Można dzięki nim określić położenie badanego
obiektu na powierzchni płaskiej. Czujniki takie są dość dokładne, jednak aby odczytać
przesunięcie trzba użyć odpowiedniego układu elektronicznego, przeważnie specjalnie
zaprogramowanego mikrokontrolera.
Czujnik składa się ze żródła światła w postaci czerwonej diody LED, zestawu
soczewek, sensora optycznego, którego zadaniem jest odczytanie obrazu oraz układu
elektronicznego analizującego ten obraz. Sensory optyczny to w zasadzie matryca CMOS.
Działanie czujnika polega na odczytaniu przez sensor obrazu powierzchni oświetlonej przez
diodę LED i porównanie obrazu z obrazem odczytanym wcześniej. Sensor optyczny
odczytuje obraz około 1500 razy na sekundę i przesyła go do analizatora. Analizator
przetwarza otrzymane obrazy i, na ich podstawie, wyznacza kierunek i prędkość ruchu
obiektu do którego przetwornik jest przymocowany. Sygnałem wyjściowym przetwornika
jest sygnał cyfrowy, który należy odczytać odzielnym układem elektronicznym.
Przetwornik kożysta z faktu, że żadna powierzchnia nie jest idealnie płaska, ale
wszystkie są chropowate. Dioda LED oświetla niewielki fragment powierzchni, po której
porusza się badany obiekt. Światło odbija się od nierówności powierzchni i poprzez układ
soczewek trafia do sensora optycznego. Sensor optyczny odczytuje obraz w postaci
kwadratu składającego się z pikseli w różnych odcieniach szarości, a następnie przetwarza
na postać cyfrową. Tak przetworzony sygnał trawia do układu elektronicznego, który
,porównując wiele takich obrazów i znajdujące ich części wspólne, wyznacza odległość jaką
przebył obiekt w czasie jaki upłynął pomiędzy ich pobraniem. Następnie tłumaczy te dane
na współrzędne położenia obiektu na płaszczyźnie. Ponieważ ilość takich obrazów jest
duża, układ elektroniczny oblicza również prędkość ruchu obiektu. Niestety nie przelicza on
odległości na jednostki SI. Do tego celu trzeba użyć zewnętrznego układu
mikroprocesorowego.
Dioda elektroluminescencyjna.
Dioda elektrolumenscencyjna, inaczej zwana diodą LED, to półprzewodnikowy
przyrząd optoelektroniczny emitujący promieniowanie świetlene. Diody LED mogą
emitować promieniowanie w zakresie podczerwieni, światła widzialnego i ultrafioletu.
Promieniowanie polega na przechodzeniu elektronów z wyższego na niższy poziom
energetyczny, przy czym elektrony te zachowują swój pęd. Jest to tzw. przejście proste.
Półprzewodniki w których zachodzi ten typ przejścia to arsenek galu (GaAs) i arsenofosforek galu (GaAsP). Luminescencja to zjawisko emitowania przez materiał
promieniowania elektromagnetycznego pod wpływem czynnika pobudzającego. W
przypadku diod LED czynnikiem pobudzającym jest prąd elektryczny, dlatego nazywamy je
elektroluminescencjnymi. Intensywność świecenia zależy od wartości przepływającego
przez złącze prądu, a zależność ta jest liniowa w dużym zakresie. Dlugość fali
wygenerowanego promieniowanie określa się wzorem:
=
hc
Wg
gdzie h – stała Plancka;
c – prędkość światłą;
Wg – szerokość pasma zabronionego – zakres energii elektronów, w którym są one silnie
rozpraszane na atomach, przez co brak jest w układzie elektronów o energii z tego zakresu.
Arseno-fosforek galu, pod wpływem prądu elektrycznego, wydziela falą świetlną o
długości 650nm, widzianą jako barwę czerwoną. Jednajk ten sam półprzewodnik może
wypromieniowywać fale o różnej długości. Długość wypromieniowanej fali zależy od
temperatury złącza. Im większa temperatura tym większa długość fali.
Matryca CMOS.
Matryca CMOS jest to układ wielu elementów światłoczułych wykonanych w
technologii CMOS. Elementami światłoczułymi są fotodiody. Fotodiody to diody
półprzewodnikowe wykonane jako elementy za złączem p-n lub p-i-n. Fotony światła
padającego na złącze są absorbowane i powodują przenoszenie elektronów pomiędzy
katodą i anodą. Wraz ze wzrostem strumienia świetlniego wzrasta prąd przewodzenia. W
zależności od sposobu podłączenia diody może ona pracować jako źródło prądu, w którym
podczas oświetleniu pojawia się siła elektromotoryczna (przy braku polaryzacji) lub jako
fotorazystor (przy polaryzacji zaporowej).
Oprócz fotodiod, w matrycy CMOS, znajdują się także: układ wzmacniający sygnał,
przetwornik analogowo-cyfrowy, mikrosoczewki skupiające światło na elemencie
światłoczułym oraz filt barwny odpowiadający za to aby matryca była czuła tylko na pewne
spektrum światła, w tym przypadku na światło czerwone.
Matryce CMOS charakteryzują się małymi zakłuceniami w przesyłaniu danych,
niskimi kosztami produkcji, niskim poborem mocy, szybkim odczytem danych oraz
możliwością odczytywania pojedynczych pikseli, co czyni je świetnymi matrycami
światłoczułymi do przetworników przemieszczenia.
Zastosowanie.
Przetwornik przemieszczenia oparty o matryce CMOS można stosować do pomiaru
przemieszczenia obiektów na płaszczyznie. Przetwornik musi być położony możliwie blisko
powierzchni po której porusza się obiekt, którego przemieszczenie badamy. Optymalna
odległość to ok 3mm. Ponadto należy wyeliminować zakłucenia świetlne z zewnątrz.
Większość czujników tego typu czujników nie może pracować na powierzchniach
szklanych i lustrzanych. Czujniki są bardzo dokładne w zakresie 0,5mm. Są one
powszechnie stosowane w optycznych myszkach komputerowych. Diodę LED można
zastąpić didą laserową. Laser, diody laserowej, jest wielowarstwową strukturą
półprzewodników typu n i p. Przejście elektronu do pasma przewodzenia na skutek zasilania
prądem prowadzi do emisji fotonu. Przy dostatecznie dużym prądzie można wywołać akcję
laserową. Zastosowanie lasera znacznie zwiększa czułość przetwornika, ale skutkuje to
zmniejszeniem prędkości działania przetwornika.
Dalmierz optyczny.
Jednym z pierwszych sposobów pomiaru odległości bez przebywania jej było
zastosowanie dlamierza optycznego. Dalmierz optyczny jest zbudowany z dwóch prawie
równoległych obiektywów, których osie można względem siebie obrócić. Pomiar polega na
ustawieniu obrazów badanego obiektu z obu obiektywów tak aby się one pokrywały. Wtedy
osie obiektywów nie są równoległe ale przecinają się pod pewnym kątem. Kąt ten jest
zwany kątem paralaksy i jest odwrotnie proporcjonalny do odległości od badanego obiektu.
Dla małych wartości przyjmuje się, że sinus tego kąta jest równy wartości kąta w radianach.
Im dalej od siebie ustawione są obiektywy tym pomiar jest dokładniejszy.
Paralaksa jest niezgodnościoą różnych obrazów tego samego obiektu
obserwowanego z różnych kierunków. Najczęściej można ją zauważyć podczas obserwacji
obiektów znajdujących się w różnej odległości od obserwatora. W pomiarach jest ona
najczęściej związana z błędem paralaksy, czyli odczytywaniem wartości z miernika
analogowego pod nieodpowiednim kątem.
Dlamierze optyczne stosowano w pomiarach topograficznych i w altylerii,
szczególnie w marynarce wojennej.
Przedstawione tutaj optyczne przetworniki położenia stosowane są w różnych
dziedzinach takich jak: produkcja, wojsko, obsługa komputera. Jak widać mogą mieć różną
postać i konstrukcję w zależności od zastosowania. Są często stosowane zarówno przez
naukowców, inżynierów, jak również zwykłych ludzi.
Bibliografia:
1. Czesław Bobrowski, Fizyka krótki kurs, Wydanie ósme, Warszawa 2003, ISBN 83-2043033-X,
2. Otto limann, Elektronika bez większych problemów, optoelektronika,Wydanie pierwsze,
Warszawa 1992, ISBN 83-206-1022-2
3. Wykłady dr. inż Roberta Czabanowskiego, Czujniki fotooptyczne,W4 slajdy 21-31,
Wrocław 2010
4. pl.wikipedia.org