2. Pasivní snímače Pasivní snímače mění při působení měřené některou svoji charakteristickou vlastnost. Její změna je pak mírou hodnoty měřené veličiny a ta potom ovlivní tok elektrické energie ve vyhodnocovacím převodníku. Budeme se zbývat pasivními snímače odporovými, indukčními, kapacitními, vodivostními a fotoelektrickými.
2.1 Odporové snímače Odporové snímače převádějí na elektrický signál všechny neelektrické veličiny, jejichž změnu můžeme vyjádřit změnou odporu. Jedná se o snímače polohy, snímače deformací, snímače teploty a snímače viditelného záření. 2.1.1 Odporové snímače polohy Funkce tohoto snímače je založena na realizaci drátového odporu. Na tyčce z isolantu je rovnoměrně navinut odporový drát (konstantan, manganin) závit vedle závitu. Délka dráhy je obvykle v rozmezí od desítek do stovek mm. Po povrchu takto vzniklé plochy se pohybuje kontakt, který je mechanicky spojen s pohyblivou částí, jejíž polohu chceme měřit.
Obr.2.1 Princip odporového snímače polohy Elektrické napětí na odporu RV
R x =U ⋅ RP L Napětí UV je přímo úměrné poloze x jezdce a tedy hodnotě mechanického posunutí pohyblivé části stroje. Tato závislost platí za předpokladu, že Rv >> Rp. Pokud není tato podmínka splněna, bude závislost mezi UV a x nelineární, jak je znázorněno na obr.2.2. UV = U ⋅
Obr. 2.2 Převodní charakteristika odporového snímače polohy
1
Aby se eliminoval vliv zatěžovacího odporu na linearitu odporové charakteristiky, zapojuje se odporový snímač do obvodu s operačním zesilovačem v zapojení sledovače napětí (obr.2.3).
Obr. 2.3 Připojení odporového snímače přes OZ Mechanickým uspořádáním odporového snímače do oblouku získáme odporový snímač úhlové výchylky. Délka odporové dráhy je realizována obvykle v úhlu 270°. Polohových odporových snímačů se používá pro měření všech neelektrických veličin, které je možné převést na lineární nebo úhlový posuv (např. hladina, tlak aj.). 2.1.2 Tenzometrické snímače deformací Základní princip Změna vodivosti kovů při jejich deformaci vedla ke vzniku oboru tenzometrie. Tenzometry využívají závislosti změny odporu kovových vodičů a polovodičů na jejich pružné deformaci (ohyb, tlak, krut apod.). Tenzometrů se používá pro měření síly, tlaku, vibrací, zrychlení a změn geometrických rozměrů. Platí Hookův zákon pružné deformace σ = ε ⋅ E , kde σ je mechanické napětí, ε = ∆L/L relativní prodloužení a E modul pružnosti. Podle materiálu a konstrukce lze tenzometry rozdělit - kovové - drátové, fóliové a napařované, - polovodičové - řezané z monokrystalů ve tvaru vláken Odpor válcového kovového vodiče je závislý na jeho délce L a průřezu S
R=ρ⋅
L S
kde konstanta úměrnosti ρ je měrný odpor.
Pro kovové tenzometry namáhané v podélné ose tahem platí v omezeném rozsahu teplot deformační charakteristika ∆R ∆L = KP ⋅ = KP ⋅ε R L kde Kp je součinitel deformační citlivosti, jehož velikost je závislá na materiálu tenzometru.
2
Součinitel deformační citlivosti materiálů, kterých se používá pro výrobu drátových tenzometrů je v rozmezí 1,6 – 3,5 (u konstantanu Kp = 2), u polovodičových tenzometrů v rozmezí 75 – 180 (tedy větší citlivost, ale větší nelinearita a teplotní závislost).
Pro namáhání tlakem ve všech hlavních osách platí ∆R =αp ⋅ p R kde p je tlak a αp tlakový součinitel. Deformační charakteristika polovodičových tenzometrů je dána nelineárním vztahem:
∆R = C1 ⋅ ε + C 2 ⋅ ε 2 + C 3 ⋅ ε 3 R kde C1, C2, C3 jsou součinitelé, které závisí na měrném odporu tenzometru, krystalografické orientaci tenzometrického čidla a na druhu vodivosti. U křemíkových tenzometrů je možné kubický člen vynechat. Provedení tenzometrických snímačů Odporové tenzometrické snímače se skládají z vlastního čidla (drátku, fólie, vlákna křemíku) a z podložky (nejčastěji papír nebo pryskyřice) na kterou se drátek lepí. Podložka zprostředkovává přenos deformace s povrchu měřeného tělesa (např. membrány vystavené tlaku) na vlastní čidlo. Podložka se na povrch měřeného tělesa lepí speciálními lepid1y (epoxidové pryskyřice, celuloid). Příklady tvarového uspořádání různých typů tenzometrů jsou na obr. 2.5.
Obr. 2.5 Různá provedení tenzometrů a) drátový , b) fóliový , c) polovodičový. 1-podložka, 2-drátek, 3-fo1ie, 4-vlákno či destička polovodiče (tloušťka setiny až desetiny mm, délka jednotky mm). 2.1.3 Odporové snímače teploty Odporové snímače teploty využívají závislosti odporu kovů nebo polovodičů na teplotě. Jejich materiál má mít co největší měrný odpor, co největší teplotní součinitel odporu, který má být požadovaném rozsahu teplot stálý.
3
Kovové odporové snímače teploty Tyto mají nejčastěji jako materiál čidla Pt, Ni, Cu nebo Ag ve tvaru drátků navinutých na vhodné podložce. Nejrozšířenější je odporový snímač platinový, jehož teplotní závislost odporu je dána v rozsahu 0°C až 850°C rovnicí:
[
Rϑ = R0 1 + A ⋅ ∆ϑ + B ⋅ (∆ϑ )
2
]
kde Rϑ je odpor snímače při teplotě ϑ , R0 odpor snímače při tep1otě 0°C, A = 3.98·10-3/°C, B=5.802 · 10-7/°C ∆ϑ je rozdíl teploty ϑ a teploty 0°C V rozsahu teplot 0°C až - 200°C přistupuje ještě kubický člen. Platinové snímače představují teplotní etalony v rozsahu teplot -258,34 °C až +630,74 °C, Polovodičové odporové snímače teploty Podle materiálu můžeme polovodičové odporové snímače teploty rozdělit na: polykrystalické - termistory, jejich odpor s teplotou klesá a posistory, jejich odpor s teplotou stoupá monokrystalické - bez přechodu PN (z Ge, Si, GaAs a jiného materiálu) a s přechody PN (diodové nebo tranzistorové snímače). Termistory jsou nelineární polovodičové součástky s velkou závislostí elektrického odporu na teplotě, přičemž jejich teplotní součinitel odporu je 5 až 50x větší než u kovových vodičů. Vyráběny jsou práškovou metalurgií (spékáním) kysličníku Fe2O3, TiO2, CuO a dalších. Teplotní závislost jejich odporu je dána vztahem B B RT = R0 exp − T0 T
kde RT a R0 je odpor termistoru při teplotě T resp. T0 v Kelvinech, B materiálová konstanta. Odpor R0 bývá 10-1 až l08 Ω. Pro malé změny teploty je možné použít lineární závislost
RT = R0 [1 + α T (T − T0 )] kde α T =
B T02
je teplotní součinitel odporu termistoru.
Pro správnou činnost termistoru jako snímače teploty je nutné, aby proud, který jím prochází, byl co nejmenší, aby se jím neohříval. Posistory jsou polykrystalické polovodičově součástky s kladným teplotním součinitelem odporu. Pro měřeni teploty se využívají jen v úzkém teplotním rozmezí, ve kterém přibližně platí lineární závislost jejich odporu na teplotě. Používají se spíše jako čidla teplotních ochran.
4
Závislost odporu posistoru na teplotě v oblasti nárůstu
R = R J ⋅ e Aϑ kde Rj je odpor při refrenční teplotě (60°C – 180°C), A materiálová konstanta (0,16 K-1).
Obr. 2.6 Závislost odporu posistoru na teplotě Monokrystalická čidla bez přechodu PN jsou založena na změně pohyblivosti nosičů proudu na teplotě. Struktura snímače je znázorněna na obrázku. Jedná se v podstatě o dva sériově řazené kontakty kov – křemíkový polovodič typu N. Zpětný kontakt na spodní straně spojuje vnitřní odpory R1 a R2
Pro teplotní závislost odporu platí přibližně platí vztah R = R0 + k (ϑ − ϑ0 ) 2 .
5
Diodové snímače teploty s přechodem PN využívají závislosti proudu v diodě při konstantním napětí v propustném i závěrném směru na teplotě. Tato však není zcela lineární.
Závislost proudu diody na napětí e ⋅ U D I D = I S ⋅ 1 − exp nkT
Pro nasycený proud v závěrném směru platí I Sϑ = I Sϑ0 exp(b ⋅ ∆ϑ ), b = 0,05 − 0,1 K −1
Obdobně tranzistorové snímače teploty využívají tohoto jevu na přechodu B-E obvykle v propustném směru. 2.1.4 Odporové snímače infračerveného záření Nazývají se také bolometry. Pracují tak, že absorpcí zářivého toku se mění teplota odporového článku a tím i jeho odpor. Podle použitého materiálu je můžeme rozdělit na kovové a polovodičové. Materiály pro kovové bolometry jsou Pt, Ni, Bi atd. Velmi malé tepelné kapacity je dosaženo tenkou vrstvou kovu 0,1 až 3µm. Délka kovového pásku je řádu mm, šířka řádu desetiny mm. Pásek je dokonale začerněn zlatou nebo platinovou černí, aby přijímal všechny vlnové délky zářeni. Bolometry můžeme používat pro bezdotykové měření teploty v rozsahu 0- 300 °C.
Moderní polovodičové bolometry jsou z polykrystalického materiálu. Používají se výbrusy z křemene. 2.1.5 Odporové snímače viditelného záření Nazývají se také fotodetektory. Obvykle jsou polovodičové, a to buď z polykrystalického materiálu (fotoodpory) nebo monokrystalického materiálu s přechodem PN (fotodiody, fototranzistory ).
Fotoodpory jsou založeny na změně odporu polovodiče v důsledku jeho osvětlení. Dopadající světelný tok zpravidla generuje v polovodiči přídavné volné nosiče proudu, což způsobí zvýšení vodivosti resp. snížení odporu. Jako materiál se používá selen a jeho sloučeniny s kovy a antimon india. Fotodiody využívají vnitřního fotovoltaického jevu a schopnosti PN přechodu separovat volné nositele náboje. Když dopadá viditelné záření na oblast přechodu, objeví se na něm přídavný potenciál. Potom se dioda chová jako odpor řízený osvětlením. Na obr 2.7 je nakreslena V-A charakteristika fotodiody.
6
Obr. 2.7 V-A charakteristika fotodiody Fototranzistory Fototranzistor je bipolární tranzistor, který nemá vyvedený kontakt k bázi, ale má na přechodu báze-emitor průhledné okénko. Tento přechod funguje jako fotodioda. Když je osvětlen, vytvářejí se na něm páry elektron - díra. Elektrony se v elektrickém poli pohybují do báze. Další princip je zcela stejný jako u obyčejného tranzistoru, tedy je možné zesilování proudu v kolektoru.
2.2 Indukčnostní snímače Pasivní indukčnostní snímače, v praxi běžně nazývané indukční vysílače, tvoří rozsáhlou skupinu pasivních snímačů, u nichž je neelektrická veličina převedena na změnu vlastní indukčnosti nebo vzájemné indukčnosti. Jako všechny ostatní snímače jsou i tyto snímače zapojeny do elektrického obvodu, v tomto případě se střídavým napětím. Indukčnostní snímač se skládá z jedné nebo více cívek. Magnetický obvod cívky může být uzavřený nebo otevřený, s feromagnetickým jádrem nebo bez feromagnetického jádra. Každá indukční cívka, u které musíme uvažovat kromě její indukčnosti ještě ohmický odpor a kapacitu, je spojena s elektrickým obvodem spojovacím vedením, jehož indukčnost, odpor i kapacita se také projevují a tyto veličiny mohou výrazně ovlivnit parametry snímače a přesnost měření. Dále je popsáno provedení těchto indukčnostních snímačů: - snímače lineární výchylky s uzavřeným magnetickým obvodem, které se nazývají snímače s malou vzduchovou mezerou nebo snímače s otevřeným magnetickým obvodem v transformátorovém provedení. - snímače úhlové výchylky, které se nazývají selsyny. Pro indukčnostní snímače lze jako měřicích obvodů využít střídavé můstky, transformátorové můstky a rezonanční obvody. 2.2.1 Snímače s malou vzduchovou mezerou
Konstrukce indukčnostního snímače s malou vzduchovou mezerou je zřejmá z obr. 2.8. V tomto případě se feromagnetická část (kotva) se pohybuje spolu s pohyblivou částí, jejíž polohu měříme. Výstupní veličinou je změna její impedance Z vyvolaná změnou 7
magnetického odporu magnetického obvodu cívky změnou vzduchové mezery. Ta pak vyvolá změnu proudu v cívce, který může měřit.
Obr. 2.8 Indukčnostní snímač s malou vzduchovou mezerou Impedance obvodu (zanedbáme odpor) jωµ 0 SN Z2 Z= 2δ kde δ je velikost vzduchové mezery, NZ je počet závitů cívky, S průřez jádra cívky, l šířka vzduchově mezery, µ0 permeabilita vakua. 2.2.2 Transformátorový snímač
Transformátorové indukční snímače (indukční vysílače) patří mezi indukčnostní snímače s otevřeným magnetických obvodem, u nichž se změna měřené veličiny projevuje změnou vzájemné indukčnosti sekundárních cívek (obr. 2.9, 2.10). Změnou polohy jádra se mění koeficient vzájemné indukčnosti mezi oběma systémy cívek. Jádro je vyrobeno z feritu nebo z měkkého železa a je nastavitelné podélně ve vzduchové mezeře. Je-li jádro zcela zasunuto nebe zcela vysunuto, jsou koeficienty vzájemné indukčnosti M1 a M2 stejné, ale indukovaná elektromotorická napětí U1 a U2 jsou navzájem opačného směru, a proto se ruší, protože sekundární vinutí jsou zapojena protisměrně. Posune-li se jádro, pak se změní koeficienty vzájemné indukčnosti a na sekundárním vinutí se objeví rozdílové napětí UV0 , které se obvykle dvoucestně usměrňuje a přivádí na měřicí přístroj.
Obr. 2.9 Provedení transformátorového snímače 8
Obr. 2.10 Elektrické schéma transformátorového snímače Závislost výstupního napětí na rozdílu vzájemných indukčností
U V 0 ( jω ) =
1 ω (M 1 − M 2 ) R1 L 1 + ω 2 1 R1
2
⋅ U Z ( jω )
2.2.3 Selsynový snímač
Selsyn se skládá ze statoru, provedeného stejně jako stator třífázového asynchronního motoru se souměrným vinutím, a z rotoru, který je vinutý jednofázově a je napájen střídavým budícím napětím 50-500Hz. Selsyn vypadá jako motor, je to však typ indukčnostního snímače s primárním (rotor) a sekundárním vinutím (stator). Pro přenos úhlu natočení nějaké mechanické součásti se používá dvou selsynů, z nichž jeden je vysílač a druhý přijímač (obr. 2.10). Příkladem může být anténa radiolokátoru a rotační cívka radiolokačního displeje, které se musejí synchronně otáčet. Je-li rotor selsynu vysílače, který ovlivňuje měřená veličina, ve stejné poloze jako rotor přijímače α1 = α2), pak se ve vinutích obou statorů indukuje stejné napětí a synchronizačním vedením neprochází žádný proud. Jakmile se vlivem měřené veličiny změní poloha rotoru vysílače, jsou napětí indukované ve statorech vysílače a přijímače různá a vznikne synchronizační proud, který v přijímači vytvoří magnetické pole, které jej natočí do stejné polohy, v jaké je rotor vysílače. Synchronizačním vedením opět neprotéká žádný proud. Rotor přijímače tedy sleduje úhlovou výchylku rotoru vysílače. Selsynové snímače se také používají například u hladinoměrů.
9
Obr. 2.10 Selsynový snímač polohy 1 rotor, 2 stator, 3 selsyn vysílač 5 synchronizační vedení, 4 selsyn přijímač
2.3 Kapacitní snímače Kapacitní snímače jsou podstatě dvou a víceelektrodové kondensátory, jejichž parametry se mění působením měřené veličiny. Kapacita jednoduchého rovinného snímače je dána vztahem S C =ε ⋅ d kde S je plocha elektrod, d vzdálenost elektrod, ε permitivita dielektrika. Při oddálení desek o vzdálenost ∆d dostaneme ∆C = − C
∆d d + ∆d
Citlivost snímače při ∆d/d << 1 ∆C C ∆d ≈ − 1 − ∆d d d
Tento vztah je nelineární, linearizace lze dosáhnout diferenčním uspořádáním (tab.3.4). Citlivost je pak při podmínce ∆d/d << 1 ∆C C ≈− ∆d d Působení měřené veličiny může měnit u kapacitního snímače - velikost mezery mezi deskami, - plochu desek - dielektrikum Změna dielektrika může nastat změnou plochy dielektrika společného oběma elektrodám, změnou tloušťky dielektrika a změnou permitivity. Změny dielektrika se využívá ve snímačích pro měření výšky hladiny kapalin, kdy jsou obě elektrody obvykle válcové.
10
Tabulka 2.1 Různě typy kapacitních snímačů
11
2.4 Magnetoelastické snímače Jsou založeny na změnách magnetických veličin způsobených deformacemi feromagnetických materiálů. Jedná se o využití změny permeability a využití deformace magnetického pole. Změna permeability při deformaci feromagnetických materiálů je úměrná mechanickému napětí σ dle vztahu ∆µ
µ0
= λ0 µ pσ
kde ∆µ = µ p − µσ je změna permeability od hodnoty µp při deformaci mechanickým napětím
σ, λ0 je koeficient úměrnosti. Po odvozeníb převodní charakteristika senzoru ∆µ
µ0
= 2µσ
λs Bs2
σ
Činitel magnetostrikce λs je bezrozměrná veličina a u krystalických magnetických materiálů se pohybuje v rozmezí 1.10-6 až 9.10-6. Materiály vhodné pro magnetoelastické senzory mají malou indukci nasycení Bs, velkou permeabilitu µσ a velký činitel magnetostrikce λs. Typická závislost změny permeability pro slitinu Ni-Fe s dalšími přísadami je na obr. 2.11 spolu s příkladem konstrukce senzoru síly. Feromagnetický obvod 1 musí být vyroben s minimálními vzduchovými mezerami (zabroušení styčných ploch). Výstupní veličinou je změna indukčnosti, relativní deformace se pohybují v okolí 10-6, měřené síly od 103 N do 106 N.
Obr. 2.11 Magnetoelastický senzor síly: a) převodní charakteristika, b) konstrukce senzoru 1feromagnetický obvod, 2-hlavní vinutí, 3-typický tvar siločáry Pro magnetoelastické senzory je perspektivní použití amorfních magnetických materiálů (kovová skla). Vyznačují se větší citlivostí a stálostí parametrů, větší mezní hodnotou a a větší tvrdostí. Např. slitina Fe80B14Si6 má o řád větší dovolené napětí σmax= 1500 Pa, λs = 30.10-6 a několikanásobnou citlivost ve srovnání s krystalickými materiály. Dobrých parametrů lze dosáhnout s transformátorovým uspořádáním senzoru, označovaným jako magnetoanizotropní (obr. 2.12).
12
Obr. 2.12 Magnetoanizotropní senzor síly V otvorech feromagnetického obvodu (plechy nebo i plný materiál) je vloženo primární a sekundární vinutí (c1, c2). Ve stavu bez deformace magnetický tok primáru nezasahuje do sekundární cívky a tedy u2vyst = 0. Působením síly se vytvoří oblast zvýšené výsledné permeability pod úhlem α od hlavní úhlopříčky. Magnetický tok Φ sledující tento směr vytvoří složkou kolmou k ploše c2 výstupní napětí U ( jω ) = K p ⋅ σ .
2.5 Vodivostní snímače Vodivostní snímače slouží k měřeni elektrolytické vodivosti roztoků, které je možno využívat pro kvantitavní analýzu kapalin a plynů konduktometrickou metodou. Tyto snímače jsou v podstatě kovové elektrody, které se ponoří do roztoku a měří se procházející proud. Elektrolytická vodivosti γ roztoků závisí přibližně lineárně na koncentraci iontů ρi rozpuštěných látek (obr. 2.13). Pokud nedochází k polarizaci elektrod, pak platí u elektrolytických vodičů Ohmův zákon. Kapalina se stává části elektrického obvodu a chová se jako elektrický odpor R, přičemž protékající proud je úměrný obsahu iontů v kapalině. Sloupec kapaliny představuje elektrický vodič, jehož délka odpovídá vzdálenosti elektrod L a jehož průřez může být nahrazen plochou elektrod S. Pro odpor mezi dvěma elektrodami platí
R=ρ⋅
1 L =K⋅ S γ
kde L je vzdálenost mezi elektrodami, průřez sloupce kapaliny, ρ měrný odpor. Z toho vyplývá K γ = R kde γ je měrná elektrická vodivost v S.cm-1, K je elektrodová konstanta, která závisí na konstrukci elektrod a elektrodové nádobce.
13
Obr. 2.13 Měrná vodivost roztoků Elektrolytická vodivost roztoku se v praxi definuje množstvím NaCl rozpuštěného v jednom litru vody. Roztok 1 mg NaCl v 1 litru má při teplotě 20°C vodivost 1,9 µS. Hodnota vodivosti závisí na teplotě. Na rozdíl od kovových voličů vodivost elektrolytů se stoupající teplotou stoupá. Pří nízkých koncentracích a malých rozdílech teplot je teplotní závislost vodivosti dána lineární rovnicí
γ = γ 0 (1 + β1 ∆ϑ ) kde β1 je teplotní součinitel vodivosti a ∆ϑ rozdíl teplot. Měrná elektrická vodivost je tedy obecně funkcí koncentrace látek a závisí na teplotě. Závislost vodivosti na koncentraci je lineární pro velmi zředěné roztoky. Koncentrované roztoky solí, kyselin a zásad se vyznačují nelineární charakteristikou. Koncentrace se z naměřených hodnot vodivosti stanovuje pomocí cejchovních grafů. V technické praxi se pro výpočet elektrolytické vodivosti zavádí poměrná hodnota vodivosti γr, která udává vodivost roztoku jakékoliv látky jako násobek vodivosti roztoku NaCl téže koncentrace.
Tab.2.2 Hodnoty relativní elektrolytické vodivosti
2.6 Optoelektrické snímače Měřená neelektrická veličina ovlivňuje výstupní ve1ičinu optoelektrických snímačů těmito způsoby: -
změnou osvětlení fotonky clonkou (použití u všech měřených veličin, které je možno převést na lineární, nebo úhlovou výchylku), změnou osvětlení fotonky absorpcí záření měřenou látkou (h1adinoměry, kolorimetry), změnou osvětlení fotonky změnou směru paprsků (refraktometry).
14
Snímače založené na optoelektrickém principu lze podle použití rozdělit na metody analogové (spojité), impulsní (nespojité) a číslicové. Pro měření mechanických veličin se v těchto metodách vždy používá vhodný zdroj záření, detektor záření a někdy optická soustava. Jako zdroj záření se ve viditelné oblasti záření λ= 0,4 nm - 0,7 nm) používají žárovky s optickou soustavou nebo luminiscenční diody LED. V infračervené oblasti (λ >0,7 nm) se používají GaAs luminiscenční diody. Pro velmi přesná měření délek se jako zdroj koherentního a monochromatického záření používají plynové nebo polovodičové lasery. Ve funkci indikátoru záření jak v oblasti viditelného tak v oblasti infračerveného spektra se používají fotodiody, fotoodpory a fototranzistory. Pro analogové systémy se jak zdroj záření používají luminiscenční diody. Vyzařovací plocha krystalu je řádově desetiny plošných milimetrů a lze tedy tento zdroj považovat za bodový. Z hlediska energetické účinnosti jsou nejvýhodnější diody emitující infračervené záření. Účinnost GaAs diod dosahuje pro λ = 0,9 nm až 99 % a navíc je tato vlnová délka optimální z hlediska spektrální citlivosti křemíkových fotodiod (viz obr.2.14)
Obr.2.14. Spektrální charkteristika GaAs luminiscenční diody a Si fotodiody Z hlediska vyhodnocení ozáření je nejvhodnější použití fotodiody zapojené jako zdroje proudu. Proud nakrátko (obr.2.14) je prakticky lineární funkcí osvětlení a jen málo závisí na teplotě (0,2 % /K). Naproti tomu výstupní napětí hradlové fotodiody je nelineární funkcí osvětlení a navíc je teplotně závislé. Použití fototranzistorů je nevýhodné z důvodu nelineární závislosti proudu na osvětlení a větší teplotní závislosti než u fotodiody. Ze stejných důvodů není vhodné použití fotoodporů. Spojité optoelektrické systémy
Snímání různých mechanických veličin (dráha, úhel natočení, deformace tělesa, nerovnosti povrchu aj.) se převádí u analogových optoelektronických systémů na posun clony. Základní uspořádání je patrné obr.2.15.
15
Obr.2.15. Fotoelektrický snímač poloh (S -citlivý povrch fotodiody) Dá se odvodit závislost proudu fotodiody na hodnotě x posunutí clonky, která je nelineární. Pokud tuto závislost linearizujeme tečnou v jejím inflexním bodě, dostaneme vztah linearizované závislosti I(x). Tím se při měření dopouštíme určité chyby. b x ⋅ 2D D
I ( x) = 2 K ⋅ arctg
b x + 1 + 2 D D 2
2
1 2
+ I0
kde K je konstanta daná svítivostí bodového zářiče a citlivostí fotodiody, I0 proud fotodiody pro počáteční x = 0. Doposud jsme předpokládali, že K je konstanta a že tedy proud diody není závislý na kolísání svítivosti zdroje a proměnné citlivosti fotodiody. Vzhledem k teplotním a časovým změnám obou veličin je nutné tyto změny v některých případech z měření vyloučit. To lze provést použitím diferenčního snímače polohy (dvojitá fotodioda) s automatickou kompenzací uvedených chyb (obr.2.16).
Obr.2.16 Kompenzace vlivu časových změn diod Pokud udržujeme součet proudů I1 + I2 = k konstantní, pomocí regulace proudu v LED diodě. Potom bude I1 − I 2 =
1 ⋅ ∆x k
16
Nespojité optoelektrické systémy
Jedním ze způsobů odměřování mechanického posunutí je ten, že po odměření určité vzdálenosti vyšle optoelektronický vysílač impulsů elektrický impuls. Sled impulsů je pak zpracován v čítači. Odměřování dráhy se tedy převádí na čítání impulsů přírůstkovým (tzv. inkrementálním) způsobem. Aby mohl být rozlišen směr pohybu měřeného tělesa, je nutné vybavit optoelektronický vysílač dvěma fázově posunutými fotoelektrickými snímači a čítač musí být obousměrný. Příklad uspořádání přímkového vysílače je na obr.2.17.
Obr. 2.17 Přímkový optoelektronický vysílač polohy Použití přímkových vysílačů není tak časté, protože délka měřítka se bude i při vhodné volbě materiálu (sklo, speciální kovové slitiny) měnit s teplotou. Mnohem častěji se používají kruhové snímače, u nichž nemá teplotní roztažnost materiálu měřítka vliv na úhlové dělení a přesnost vysílače je ovlivněna prakticky pouze převodem přímého pohybu na točivý. Rysky na měřítku, se zhotovují na skle fotochemickou technologií a na kovech fotolitografií. Optická dráha světelného toku je vymezena clonami a optickými soustavami. Šířka mezer a rysek na měřítku a mezer na cloně je stejná. Posuvem měřítka dochází k postupnému zacloňování a odcloňování fotodiody nebo fototranzistoru.
17
