4.4. Оптична обробка інформації

Крім високих метрологічних характеристик сенсори повинні мати надійність, довговічністю, стабільністю, малими габаритами, масою й енергоспоживанням, сумісністю з мікроелектронними пристроями обробки інформації при низької трудомісткості виготовлення й невеликої вартості. Цим вимогам у максимальному ступені задовольняють волоконно-оптичні сенсори.

4.4.1. Волоконно-Оптичні сенсори

Перші спроби створення сенсорів на основі оптичних волокон можна віднести до середини 70-х років минулого сторіччя. Однак уважається, що цей тип сенсорів сформувався як один з напрямків техніки тільки на початку 80-х років. Тоді ж з'явився й термін " волоконно-оптичні датчики" (в англійському варіанті - optical fibre sensors). Таким чином, волоконно-оптичні сенсори представляються досить перспективною областю техніки.

Наприклад, рівень рідини можна виміряти за допомогою контактного оптичного датчика. При цьому велике значення має факт, наскільки рідина проводить світло (прозора або мутна). У сенсорі убудований випромінювач світла й фотоприймач. Светопроводящей субстанцією є циліндричний стрижень із конусом на кінці. Коли сенсор у повітрі, майже все випромінюване світло два рази відбивається від стінок конуса й вертається до фотодіода, тому що перепад оптичних плотностей на границі конуса великий. Як тільки конус поринає в рідину, перепад оптичних плотностей на границі конуса стає незначним і більшою частиною світла розсіюється на рідині, при цьому фотоприймач відключається.

Приклади зображень оптичних сенсорів наведені на мал. 4.18. Сенсор у пластмасовому корпусі призначений для роботи у звичайних умовах, а сенсор зі скляним конусом у металевому корпусі може працювати в агресивних середовищах.

Лазерні вимірники відстані з аналоговими виходами застосовуються в діапазоні відстаней від 20 мм до 400 мм. Максимальний дозвіл становить до 0,01 мм. Точність виміру не залежить від кольору об'єкта, а якщо його поверхня шорстка, то можна використовувати сенсор із променем у вигляді смуги. Принцип роботи сенсора заснований на вимірі кута між променем, що пускається лазерним діодом і променем, відбитим від об'єкта. Для цієї мети у фокальній площині прийомної лінзи розташована матриця з 8-мі фотодіодів, розташованих в один ряд. Максимум інтенсивності відбитого світла переміщається по лінійці залежно від стану між сенсором і об'єктом. Сенсор має убудований процесор, корый аналізує освітленість кожного фотодіода й обчислює кут, а потім відстань до мішені. Далі ця відстань перетвориться в аналоговий сигнал. Оптичні цифрові дифузійні сенсори мають випромінювач і приймач світла, які розташовані в одному корпусі й уздовж однієї осі. Випромінювач генерує імпульси червоного або інфрачервоного світла. Нa на шляху світлового променя з'являється який-небудь предмет, убудований у сенсор фотоприймач уловлює відбитий від нього світло й перемикає вихідні транзисторні ключі в протилежне за рівнем стан і відбувається спрацьовування сенсора. Випромінювач працює в імпульсному режимі, а фотоприймач реагує на світлові імпульси зі шпаруватістю, що випускається випромінювачем.

Це дозволяє уникнути помилкового спрацьовування сенсора в умовах яскравої освітленості. Корпус сенсора має прямокутну форму й виконаний з анодируваного алюмінію або форму циліндра з нержавіючої сталі зовнішнім різьбленням М8х0,75 і двома гайками для кріплення. Електричне з'єднання виробляється трехпроводным кабелем, що герметично убудований у корпус сенсора, або за допомогою трехштырькового рознімання.

Оптичні вимірники габаритів рефлекторного типу з аналоговими виходами дозволяють вимірювати з точністю до 30 мкм на вибір ширину об'єкта, координати крайки або положення центра предмета. Вибір здійснюється шляхом програмування сенсора за допомогою трьох кнопок розташованих на задній стінці сенсора.

У комплект сенсора входять випромінювач із фотоприймачем і металевий або полімерний рефлектор у вигляді смуги з нанесеним на неї светоотражающим шаром. Для того самого сенсора доступні три діапазони виміру ширини 30 мм, 150 мм, 350 мм. Вибір діапазону здійснюється підбором рефлектора, що розташовують на задньому плані за вимірюваним предметом або крайкою.

Сенсор випромінює світло, що, потрапляючи на рефлектор, відбивається від нього. Убудована фотодиодная матриця сприймає відбитий промінь, сигнал якого обробляється за допомогою процесора. По зміні сумарної інтенсивності світла визначається ступінь перекриття рефлектора (ширина об'єкта), а по різниці освітленості різних ділянок матриці обчислюється координата крайки.

Коли об'єкт цілком у промені, то положення центра визначається як положення середньої крапки між двома крайками. Сенсор можна використовувати в текстильній промисловості й поліграфії для контролю положення тканини або папери. У кабельній промисловості можна визначати діаметр і положення кабелю. У машинобудуванні - це контроль габаритів різних виробів. Оптичні сенсори зі световодами досить поширені для виміру сигналів у важкодоступних місцях або в обмежених просторах автоматизованих і механотронных модулів.

Одним з незмінних атрибутів оптичних сенсорів у цей час є оптоволоконный кабель, що дозволяє передавати світловий сигнал не тільки прямолінійно, але й у будь-якому напрямку за рахунок вигину або відхилення від поздовжньої осі. Деякі з описаних оптичних кабелів показані на мал. 4.19.

Більшою перевагою оптичних сенсорів є не тільки їхній безконтактний принцип роботи, але й висока чутливість світлового променя як у режимі відбиття, так і проникнення в те або інше середовище.

Від проникності матеріалу залежить також товщина неметалічних об'єктів, наприклад, паперу, картону й т.д. Тому більшу популярність оптичні сенсори придбали в хімічній, харчовій, автомобільній целюлозно-паперовій промисловості й інших галузях народного господарства.

По ступені проникності суспензій або емульсій можна судити про їхню концентрацію або хімічний склад. По ступені поглинання світлового променя можна визначати велика кількість відтінків того або іншого кольору й т.д. Основні характеристики волоконно-оптичних сенсорів наведені в у таблиці 4.4.

Загальні технічні характеристики різних типів оптичних сенсорів наведені в таблицях 4.5...4.8.

Одним з розповсюджених варіантів використання оптичного сенсора може служити оптичний вимикач серії MS компанії «Стоїк ЛТД», виконаний в одному корпусі (передавач + приймач), представлений на мал. 4.21. Його габаритно-настановні розміри дозволяють монтувати його у важкодоступних місцях на технологічному встаткуванні.

Поряд з перерахованими вище принциповими перевагами опческие сенсори володіють і деякими недоліками, одним із яких є зниження оптичної чутливості в умовах великої вологості, запыленности або задимленості приміщення. Ці параметри варто враховувати при проектуванні механотронных систем і комплексів.