Д.т.н., професор Осадчук В.С., д.т.н., професор Осадчук О.В., аспірант Радчук А.С.

Вінницький національний технічний університет

Огляд мікроелектронних сенсорів переміщення на основі оптико-частотного методу

Сенсори виконують функцію перетворення інформації з тієї форми, в якій вона поступає на підсистему керування в форму доступну для відображення, обробки та збереження [1].

На теперішній час найбільш популярними пристроями для визначення об'єктів положення та переміщення є оптичні сенсори. Серед їх основних переваг можна назвати простоту, відсутність ефекту навантаження і відносно великі робочі відстані. Вони нечутливі до паразитних магнітних полів і електростатичних перешкод, що робить їх незамінними для деяких застосувань.

До складу оптичного сенсора переміщення, як правило, входять три компоненти: джерело світла, фотодетектор і пристрої керуючі світлом (лінзи, дзеркала, оптичні волокна і т.д.). Подібні сенсори можна реалізувати і без застосування оптоволокон. У цих випадках світло прямує на об'єкт за допомогою фокусуючих лінз, а повертається назад до сенсора за допомогою відбивачів [2].

Разом з перевагами оптичні сенсори володіють і деякими недоліками, а саме чутливими до забруднення, схильні до впливу стороннього світла, світлового фону, а також температури (при напівпровідниковій основі) [3].

На сенсор можуть одночасно впливати різними чинники (тиск, температура, вологість, вібрація, радіація і т.д.), але сприймати він повинен тільки одну величину, яка називається вимірюваною величиною А.

Статична чутливість є відношенням малих приростів вихідної величини В до відповідних малих приростів вхідної величини А в статичних умовах:

Динамічна чутливість – це відношення швидкості зміни вихідного сигналу до відповідної швидкості зміни вхідного сигналу:

Нормальними умовами експлуатації сенсора є: температура навколишнього середовища +25 ± 10 °С, атмосферний тиск 750 ± 30 мм. рт. ст., відносна вологість навколишнього повітря 65 ± 15%, відсутність вібрації і полів, окрім гравітаційного [4].

Існує два основні методи визначення положення і вимірювання переміщень.

У першому методі, більш споживаному, сенсор виробляє сигнал, що є функцією положення однієї з його частин, пов'язаних з рухомим об'єктом, а зміни цього сигналу відображають переміщення; у важливій групі таких сенсорів використовується залежність електричного імпедансу від положення рухомого елементу - потенціометра, індуктивності з рухомою серцевиною.

У другому методі, менш споживаному, сенсор генерує одиничний імпульс на кожному елементарному переміщенні; положення і переміщення визначаються підрахунком суми або різниці випромінюваних імпульсів залежно від напряму переміщення [5].

За допомогою сенсорів положення можна безконтактним способом дистанційно реєструвати процеси переміщення і керувати ними. Приклад застосування такого сенсора показаний на рис. 1.

Наприклад, потрібно зареєструвати вібрацію якогось механізму в процесі роботи при різноманітних навантаженнях. Для цього на ньому в характерному місці встановлюють світлодіод (випромінювач). Випромінювання цього світлодіода за допомогою оптики (наприклад, лінзи), фокусується на сенсору положення.

В принципі такий сенсор складається з подовженого р і n-діода з двома вихідними електродами з одного боку і одним електродом з протилежної сторони (рис. 2).

Рис.1 Схема пристрою для реєстрації вібрації механізму

При непрацюючому механізмі відображаюча оптика фокусується так, щоб на обидві частини р і n - діода потрапляло випромінювання однакової інтенсивності тобто I_A = I_B. Як тільки світлодіод починає переміщатися через вібрацій механізму, інтенсивність перерозподіляється і порушується рівність струмів I_A і I_B. У результаті різниця виявляється мірою рівня вібрації механізму, яку можна оцінювати при різних режимах роботи.

Рис. 2 Структура сенсора положення

Найважливіші характеристики сенсорів переміщення графічно представлені на рисунку 3 та 4. Лінійність вимірювання положення (рис. 3) означає відхилення вихідного сигналу від номінального значення (у відсотках) при лінійному зміщенні по всій довжині датчика [6].

Рис. 3 Температурна залежність спектральної чутливості

Рис. 4 Спектральна чутливість

Мікроелектронний сенсор для визначення переміщення об’єкту, використовується в галузях електронної техніки, мікроелектронної технології, сенсорної електроніки та вимірювальної техніки і може бути використаний як сенсор переміщення в різноманітних пристроях автоматичного керування.

В той же час пристрої такого типу здебільшого мають недостатню чутливість і низьку завадостійкість, що обмежує точність визначення переміщення об’єкту. Яка визначається станом і геометрією поверхні вимірювального об’єкта, а також відстанню між кінцями передавального волоконно-оптичного джгута та вимірювальним об’єктом.

Метою роботи є підвищення чутливості, яка значно збільшить точність визначення переміщення за рахунок введення частотного перетворення інформаційних сигналів.

На рисунку 5 представлена схема мікроелектронного пристрою для визначення переміщення об’єкту. Даний пристрій складається з таких елементів: 1 – джерело світла, 2 – передавальний волоконно-оптичний джгут, 3 - вимірювальний об’єкт, 4 – приймальний волоконно-оптичний джгут, 5 – частотний фотоперетворювач [8].

Рис. 5 Мікроелектронний пристрій для визначення переміщення об’єкту

На рисунку 6 представлена схема сенсора переміщення на основі оптико частотного методу. Даний пристрій складається з таких елементів: 1 - джерело світла, 2 - рухома поверхня, 3,4 – темні та світлі смуги, 5 – фокусуючи лінзи, 6 – оптичні фільтри, 7,8 – оптичні частотні перетворювачі, 9 – частотний компаратор [7].

Рис. 6 Сенсор переміщення на основі оптико-частотного методу

За рахунок удосконалення конструкції та введення частотного перетворення інформаційних сигналів, а також зменшення габаритів пристрою, досягається можливість розширення діапазону вимірів та підвищення точності визначення переміщення [9].

Література

1. Дж. Фрайден Современные датчики / Фрайден Дж. // Справочник. - М: Техносфера, 2005.-592с.

2. Како Н. Датчики и микро / Н. Како., Я. Яманэ. – ЭВМ: Пер. с япон. – Л.: Энер. – гоатомиздат. Ленингр. Отд-ние, 1986.-120 с.

3. Мікроелектронні сенсори фізичних величин / За ред. З. Ю. Готри. – Львів: Ліга-Прес, 2002. – 475 с.

4. Аш. Ж. Датчики измерительных систем / Ж. Аш // В 2-х книгах. Кн.. 1. Пер. с франц. – М.: Мир, 1992 – 480с.

5. Виглеб Г. Датчики / Г. Виглеб // Пер. с нем. – М.: Мир, 1989 – 196 с.

6. О. А. Агеев, В. М. Мамиконова, В. В. Петров, В. Н. Котов, О. Н. Негоденко Микроэлектронные преобразователи неэлектрических величин: Учебное пособие- Таганрог: Узд-во ТРТУ, 2000. 153с.

7. Патент України на корисну модель № 61145, (51) МПК (2011.01) G01B 11/00. Мікроелектронний оптичний пристрій для реєстрації процесу переміщення / А.С. Радчук, В.С. Осадчук, О.В. Осадчук, Ю.С. Кравченко; – № u201015231; заявл. 17.12.2010 р.; опубл. 11.07.2011, Бюл. № 13

8. Патент України на корисну модель № 76460, (51) МПК (2013.01) G01B 11/00. Пристрій для визначення переміщення / А.С. Радчук, В.С. Осадчук, О.В. Осадчук, Ю.С. Кравченко; –. № u2012 05850; заявл. 14.05.2012 р.; опубл. 10.01.2013, Бюл. № 1

9. Осадчук О.В. Мікроелектронні частотні перетворювачі на основі транзисторних структур з від’ємним опором. – Вінниця: «УНІВЕРСУМ-Вінниця», 2000. – 303 с.