3. Механические измерительные преобразователи.

Преобразователь	Входной сигнал	Выходной сигнал
Рычаг	Вращающий элемент	Угловое (линейное) перемещение
Шток	Сила	Линейное перемещение
Пружина	Линейное перемещение Сила	Сила Линейное перемещение

Рычаг. Служит для преобразования вращающего момента М в угловое перемещение (рис. 18). При малых углах поворота рычага перемещение всех его точек почти линейное. Поэтому рычаг с малым углом поворота можно считать преобразователем момента в линейное перемещение /.

Рычаг может находиться в состоянии равновесия только при отсутствии входного сигнала, когда дей­ствующий на него вращающий момент М равен нулю. При наличии входного сигнала {М Ф 0) рычаг непре­рывно поворачивается и его выходной сигнал (переме­щение I) непрерывно изменяется. При снятии входного сигнала это изменение прекратится, а положение рычага в этот момент может оказаться любым. Такой вид зависимости выходного сигнала от входного харак­терен для интегратора. Следовательно, рычажный преобразова­тель вращающего момента в перемещение является интегра­тором.

Шток. Служит для преобразования силы F в линейное пере­мещение . Если на шток действует несколько сил, на­правленных вдоль его оси, то за F принимают результирующую этих сил.

При наличии входного сигнала F шток непрерывно переме­щается, т. е. его выходной сигнал I непрерывно изменяется. При снятии входного сигнала перемещение штока прекратится и его положение в этот момент может оказаться любым. Следова­тельно, шток, как и рычаг, является интегратором.

Пружина. Служит для преобразования линейного перемеще­ния I в силу F (рис. 20). Между деформацией пружины / и уси­лием F имеется линейная зависимость:

F = kl. (10)

Коэффициент пропорциональности k, называемый жесткостью пружины, представляет собой коэффициент передачи ее как пре­образователя. Жесткость каждой пружины — постоянная вели­чина. Жесткости пружин различного назначения могут сильно отличаться. Существуют пружины, обладающие очень большой жесткостью, например пружины в рессорах железнодорожных вагонов. Имеются и пружины с очень малой жесткостью, напри­мер в наручных часах.

С помощью пружины можно производить и обратное преоб­разование силы в перемещение. При этом ее статическая ха­рактеристика также будет линейной.

3. Оптоэлектронный переключатель. Принцип действия, область применения.

Оптоэлектронный переключатель представляет гибридную микросхему, содержащую оптоэлектронную пару и усилитель. В переключателе используются высокоэффективные светодиоды на основе apceнида галлия, легированного кремнием, и быстродействующие кремниевые p-i-n-фотодиоды. Иммерсионной средой является халькогенидное стекло с показателем преломления 2,7. Коэффициент передачи тока в оптоэлектронной паре составляет 3--5 при нормальной температуре, времена включения (сумма времен задержка и нарастания фронта) 100--250 пс, гальваническая развязка цепи светодиода и фотоприемника по постоянному току 10⁹ Ом. Микросхема выполнена в круглом металлостеклянном корпусе типа ТО-5.

О птронами называют такие оптоэлектронные приборы, в которых имеются источник и приемник излучения (светоизлучатель и фотоприемник) с тем или иным видом оптической и электрической связи между ними, конструктивно связанные друг с другом. Принцип действия оптронов любого вида основан на следующем. В излучателе энергия электрического сигнала преобразуется в световую, в фотоприемнике, наоборот, световой сигнал вызывает электрический отклик. Практически распространение получили лишь оптроны, у которых имеется прямая оптическая связь от излучателя к фотоприемнику и, как правило, исключены все виды электрической связи между этими элементами. По степени сложности структурной схемы среди изделий оптронной техники выделяют две группы приборов. Оптопара (говорят также “элементарный оптрон”) представляет собой оптоэлектронный полупроводниковый прибор, состоящий из излучающего и фотоприемного элементов, между которыми имеется оптическая связь, обеспечивающая электрическую изоляцию между входом и выходом. Оптоэлектронная интегральная микросхема представляет собой микросхему, состоящую из одной или нескольких оптопар и электрически соединенных с ними одного или нескольких согласующих или усилительных устройств. Таким образом в электронной цепи такой прибор выполняет функцию элемента связи, в котором в то же время осуществлена электрическая (гальваническая) развязка входа и выхода. Достоинства этих приборов базируются на общем оптоэлектронном принципе использования электрически нейтральных фотонов для переноса информации. Основные из них следующие: - возможность обеспечения идеальной гальванической развязки между входом и выходом; для оптронов не существует каких-либо принципиальных физических или конструктивных ограничений по достижению сколь угодно высоких напряжений и сопротивлений развязки и сколь угодно малой проходной емкости; - однонаправленность распространения информации по оптическому каналу, отсутствие обратной реакции приемника на излучатель;- широкая частотная полоса пропускания оптрона, отсутствие ограничения со стороны низких частот (что свойственно импульсным трансформаторам); возможность передачи по оптронной цепи как импульсного сигнала, так и постоянной составляющей;- возможность управления выходным сигналом оптрона путем воздействия (в том числе и неэлектрического) на материал оптического канала и вытекающая отсюда возможность создания разнообразных датчиков, а также разнообразных приборов для передачи информации;- невосприимчивость оптических каналов связи к воздействию электромагнитных полей, что в случае “длинных” оптронов (с протяженным волоконно-оптическим световодом между излучателем и приемником) обусловливает их защищенность от помех и утечки информации, а также исключает взаимные наводки.Оптронам присущи и определенные недостатки:

- значительная потребляемая мощность, обусловленная необходимостью двойного преобразования энергии (электричество - свет - электричество) и невысокими КПД этих переходов;- более или менее заметная временная деградация (ухудшение) параметров.

В структурой схеме рис. входное устройство служит для оптимизации рабочего режима излучателя (например, смещения светодиода на линейный участок ватт-амперной характеристики) и преобразования (усиления) внешнего сигнала. Входной блок должен обладать высоким КПД преобразования, высоким быстродействием, широким динамическим диапазоном допустимых входных токов (для линейных систем), малым значением “порогового” входного тока, при котором обеспечивается надежная передача информации по цепи. Назначение оптической среды - передача энергии оптического сигнала от излучателя к фотоприемнику, а также во многих случаях обеспечение механической целостности конструкции. Принципиальная возможность управления оптическими свойствами среды, например с помощью использования электрооптических или магнитооптических эффектов, отражена введением в схему устройства управления, В этом случае мы получаем оптрон с управляемым оптическим каналом, функционально отличающийся от “обычного” оптрона: изменение выходного сигнала может осуществляться как по входу, так и по цепи управления.

Наконец, выходное устройство призвано преобразовать сигнал фотоприемника в стандартную форму, удобную для воздействия на последующие за оптроном каскады. Практически обязательной функцией выходного устройства является усиление сигнала, так как потери после двойного пpeобразования очень значительны. Нередко функцию усиления выполняет и сам фотоприемник (например, фототранзистор).

Элементную основу оптронов составляют фотоприемники и излучатели, а также оптическая среда между ними. Ко всем этим элементам предъявляются такие общие требования, как малые габариты и масса, высокая долговечность и надежность, устойчивость к механическим и климатическим воздействиям, технологичность, низкая стоимость. Функционально (как элемент схемы) оптрон характеризуется в первую очередь тем, какой вид фотоприемника в нем используется. В оптронах используются фотоприемники различных структур , чувствительные в видимой и ближней инфракрасной области, так как именно в этом диапазоне спектра имеются интенсивные источники излучения и возможна работа фотоприемников без охлаждения.

Наиболее универсальными являются фотоприемники с р - n-переходами (диоды, транзисторы и т, п.), в подавляющем большинстве случаев они изготовляются на основе кремния и область их максимальной спектральной чувствительности находится вблизи ,7...0,9мкм.

Диодные оптопары (рис а) Транзисторные оптопары (рис. c) рядом своих свойств выгодно отличаются от других видов оптронов. Это прежде всего схемотехническая гибкость, проявляющаяся в том, что коллекторным током можно управлять как по цепи светодиода (оптически), так и по базовой цепи (электрически), а также в том, что выходная цепь может работать и в линейном и в ключевом режиме. Механизм внутреннего усиления обеспечивает получение больших значений коэффициента передачи тока, так что последующие усилительные каскады не всегда необходимы. Важно, что при этом инерционность оптопары не очень велика и для многих случаев вполне допустима. Выходные токи фототранзисторов значительно выше, чем, например, у фотодиодов, что делает их пригодными для коммутации широкого круга электрических цепей. Наконец, следует отметить, что все это достигается при относительной технологической простоте транзисторных оптопар.

Тиристорные оптопары (рис. b) наиболее перспективны для коммутации сильноточных высоковольтных цепей. Резисторные оптопары (рис. d) принципиально отличаются от всех других видов оптопар физическими и конструктивно-технологическими особенностями, а также составом и значениями параметров.

В основе принципа действия фоторезистора лежит эффект фотопроводимости, т. е. изменения сопротивления полупроводника при освещении. Важнейшим параметром диодной и транзисторной оптопар является коэффициент передачи тока. Параметрами гальванической развязки. Оптопар являются: максимально допустимое пиковое напряжение между входом и выходом U_{разв п max}; максимально допустимое напряжение между входом и выходом U_{разв max}; сопротивление гальванической развязки R_разв; проходная емкость C_разв; максимально допустимая скорость изменения напряжения между входом в выходом (dU_разв/dt)_max. Важнейшим является параметр U_{разв п max}. Именно он определяет электрическую прочность оптопары и ее возможности как элемента гальванической развязки.

О птоэлектронные микросхемы представляют собой один из наиболее широко применяемых, развивающихся, перспективных классов изделий оптронной техники. Это обусловлено полной электрической и конструктивной совместимостью оптоэлектронных микросхем с традиционными микросхемами, а также их более широкими по сравнению с элементарными оптронами функциональными возможностями. Как и среди обычных микросхем, наиболее широкое распространение получили переключательные оптоэлектронные микросхемы.

Рис 4.3. Схема коммутации нагрузки переменного тока.

Специальные виды оптронов резко отличаются от традиционных оптопар и оптоэлектронных микросхем. К ним относятся прежде всего оптроны с открытым оптическим каналом. В конструкции этих приборов между излучателем и фотоприемником имеется воздушный зазор, так что, помещая в него те или иные механические преграды, можно управлять световым потоком и тем самым выходным сигналом оптрона. Таким образом, оптроны с открытым оптическим каналом выступают в качестве оптоэлектронных датчиков, фиксирующих наличие (или отсутствие) предметов, состояние их поверхности, скорость перемещения или поворота и т. п.

Рис 4.1. Схема межблочной гальванической развязки.

.

Рис 4.2. Схема сопряжения ТТЛ и МДП элементов по оптическому каналу

Применение

 В качестве элементов гальванической развязки оптроны применяются: для связи блоков аппаратуры, между которыми имеется значительная разность потенциалов; для защиты входных цепей измерительных устройств от помех и наводок и т.д.Другая важнейшая область применения оптронов - оптическое, бесконтактное управление сильноточными и высоковольтными цепями. Запуск мощных тиристоров, триаков, симисторов, управление электромеханическими релейными устройствами.Специфическую группу управляющих оптронов составляют резисторные оптроны, предназначенные для слаботочных схем коммутации в сложных устройствах визуального отображения информации, выполненных на электролюминесцентных (порошковых) индикаторах, мнемосхемах, экранах.Создание "длинных" оптронов (приборов с протяженным гибким волоконно-оптическим световодом) открыло совершенно новое направление применения изделий оптронной техники - связь на коротких расстояниях.Различные оптроны (диодные, резисторные, транзисторные) находят применение и в чисто радиотехнических схемах модуляции, автоматической регулировки усиления и др. Воздействие по оптическому каналу используется здесь для вывода схемы в оптимальный рабочий режим, для бесконтактной перестройки режима и т. п.Возможность изменения свойств оптического канала при различных внешних воздействиях на него позволяет создать целую серию оптронных датчиков: таковы датчики влажности и загазованности, датчика наличия в объеме той или иной жидкости, датчики чистоты обработки поверхности предмета, скорости его перемещения и т. п.