В значительной степени проблему также решает интерпретация схемы прерывателя на основе датчика Холла (рис. 16г), но, в отличие от оптопрерывателя, к размерам крыльчатки предъявляются требования минимальной ширины лопасти, что в свою очередь ограничивает пространственное разрешение датчика.
Рис. 16. Оптический (фотоэлектрический) датчик рефлективного типа 1 -- корпус датчика; 2 -- светодиод; 3 -- фоточувствительный элемент (фототранзистор или фотодиод); 4 -- терминалы для монтажа на печатной плате; а -- конструкция датчика; б -- датчик линейной скорости (индикации определенного линейного положения): 5 -- линейный ротор с чередующимися участками с высокой отражательной способностью и низкой отражательной способностью (оптически прозрачными); в -- датчик угловой скорости (индикации определенного углового положения); 5 -- вращающийся ротор -- крыльчатка с чередующимися участками с высокой отражательной способностью и низкой отражательной способностью (оптически прозрачными); 6 -- вращающийся вал; г -- датчик угловой скорости со специальной конструкцией ротора: 5 -- вращающийся ротор с низкой отражательной способностью фона (черного цвета); 6 -- чередующиеся полосы ротора с высокой отражательной способностью; 7 -- вращающийся вал.
На рис. 16а-г проиллюстрирована работа рефлективного оптического датчика, который функционирует аналогично, но конструктивно отличается тем, что фототранзистор в рефлективном датчике переключается светом, отраженным от детектируемой поверхности.
Светодиод и фототранзистор рефлективного датчика расположены с одной стороны поверхности детектируемого объекта. Рефлективные датчики обеспечивают большую гибкость монтажа, но характеризуются фокусным расстоянием (оптимальным расстоянием от датчика до детектируемого объекта), на котором он должен быть помещен (обычно в пределах 2,54-12,7 мм) и относительно которого варьируется рабочий диапазон устройства.
При конструировании рефлективного датчика важнейшим требованием к детектируемой поверхности является ее отражательная способность и качество отражения. Например, для задач детектирования скорости цвет вала двигателя и ротора выбирается черный (рис. 16г), тогда полосы отражающего материала на валу обеспечивают периодическое переключение датчика.
Луч, отраженный от стандартной поверхности, не сфокусирован и представляет собой усеченный конус с основанием на рефлективной поверхности, образованным отражаемым коническим световым пучком светодиода, что не позволяет с высокой точностью обнаруживать малые отражающие объекты, и ограничивает пространственное разрешение датчика. Для того чтобы уменьшить диаметр отражаемого луча, в качестве источников света применяются лазерные светодиоды, а для фокусировки луча на его пути от светодиода к фотодетектору в датчик встраиваются линзы.
Производным от рефлективного типа датчиков является волоконно-оптический датчик перемещения, содержащий две группы волоконной оптики: передающие волокна, подключенные к источнику света, и принимающие сигнал волокна, которые подсоединены к фотодетектору (фотодиоду) и объединены в одном корпусе. Свет от источника передается через оптоволокна на поверхность цели и отражается обратно, часть отраженного света улавливается принимающими оптоволокнами и попадает на фотодетектор, регистрирующий интенсивность отражения, которая представляет собой нелинейную функцию свойств поверхности и расстояния до цели. Этот тип датчиков может потребовать периодической калибровки.
Рефлективные датчики используются во многих сферах -- в промышленности или компьютерах (датчики для компьютерных мышей). В автоэлектронике данный тип устройств применяется достаточно широко -- например, для контроля положения пассажира, в датчиках дождя и в энкодерах, а кроме того, становится базовой схемой, интересной для преобразования измерительных концепций по отношению к другим типам датчиков.
Особенности схемотехники оптических устройств
Оптический датчик -- это устройство, измеряющее интенсивность электромагнитных волн в диапазоне от ультрафиолетового до близкого к инфракрасному.
Свет представляет собой пучок дискретных фотонов, каждый из них является носителем кванта энергии, зависящей от источника света.
При взаимодействии с атомами кремния фотоны, в зависимости от длины волны (что эквивалентно количеству энергии), увеличивают проводимость фотодиода. В нем при смещении генерируется электрический ток, и его можно измерить.
С физической точки зрения базовое измерительное устройство -- это именно фотодиод, который при объединении с функциональной электроникой будет представлять собой пиксель (pixel -- PIcture ELement).
Другой базовый тип фотодетектора -- фототранзистор, под действием света он функционирует аналогично, но обеспечивает переключаемый логический выход.
Фотодиоды и фототранзисторы закладываются в линейные оптические массивы, CMOS-камеры.
Промышленностью (Optek, Vishay и др.) выпускаются также готовые щелевые и рефлективные датчики. Стоимость обоих типов менее $1, причем щелевые датчики дешевле. Могут использоваться и дискретные оптические эмиттеры/ресиверы -- светодиоды и фоточувствительные элементы -- фототранзисторы, фотодиоды, а также фототиристоры.
Щелевые и рефлективные датчики (а также оптоизоляторы1) функционируют одинаково с идентичными характеристиками, важнейшей из которых является коэффициент передачи тока.
Поскольку фототранзистор, при воздействии светового луча переходящий в состояние насыщения, обеспечивает готовый цифровой выход, в большинстве коммерчески доступных оптопрерывателей и рефлективных датчиков используется именно данный тип фотоэлектрического преобразователя. Для включения датчика во внешнюю цифровую схему потребуется только токоограничивающий резистор в цепи светодиода и внешний резистор между плюсом питания и выходом транзисторного ключа (рис. 17а).
Рис. 17. Типичные принципиальные электрические схемы для включения оптопрерывателя и рефлектора а-- схема на основе фототранзистора с цифровым выходом; б-- схема на основе фотодиода с аналоговым импульсным выходом; в-- схема на основе фотодиода с цифровым импульсным выходом; VD1 -- светодиод; VD2 -- фотодиод; VT1 -- фототранзистор, R1, R2 -- токоограничивающие резисторы.
Пара «светодиод-фототранзистор» характеризуется усилением менее 1. Сумма выходного тока коллектора фототранзистора, отнесенная к величине входного тока светодиода, называется коэффициентом передачи тока (КПТ, или CTR -- Current transmission ratio). Типичный ток светодиода 10-20 мА с типичным CTR щелевого переключателя порядка 0,1 соответствует 1-2 мА выходного тока коллектора.
КПТ зависит от характеристик светодиода и фототранзистора и различен для оптических датчиков в широких пределах, поэтому значение резистора R2 должно гарантировать насыщение фототранзистора и стекание тока, достаточного для получения действительных амплитуд логических уровней при подключении оптического датчика к микроконтроллеру. Например, при токе светодиода 10мА и КПТ=0,1 значение резистора R2 должно быть выбрано приближенно равным 5 кОм. (Меньшее значение допустимо для оптического переключателя с высоким КПТ или с большим током светодиода и будет обеспечивать лучшую шумовую устойчивость (меньший импеданс) и более высокую скорость переключения.)
Скорость переключения фототранзистора в любом оптическом датчике довольно медленная, что ограничивает максимальную детектируемую скорость устройства и должно учитываться программой, считывающей выход датчика. Типичные значения времени включения (перехода в состояние насыщения) -- 8 мс, времени выключения -- 50 мс.
Рефлективные датчики также характеризуются КПТ, который в отличие от оптопрерывателей не постоянен и зависит от силы отраженного света, типа поверхности и расстояния от поверхности до датчика. КПТ рефлективного датчика специфицируется производителем со стандартной белой рефлективной поверхностью, помещенной на фокусном расстоянии от датчика. В реальном проекте вычисляется или измеряется фактический КПТ.
Поскольку КПТ рефлективного оптического датчика варьируется в широком диапазоне, аналоговый выход (рис. 17б) может быть более предпочтительным, поскольку пользователю предоставляется возможность самостоятельно подсоединять выход датчика к АЦП и программно отслеживать изменения в выходном уровне сигнала, что, как показано далее, полезно и для интерполяции сигналов инкрементальных энкодеров, но в этом случае необходимо больше времени для выборки АЦП.
Датчики рефлективного типа в большей степени подвержены воздействию механической нестабильности системы. К примеру, при вибрации, если остановка ротора соответствует краю отражающей полосы в рабочей области датчика, рефлективный датчик непрерывно генерирует прерывания. В аналогичной ситуации с щелевым датчиком получение неоднозначного выхода при частичном затемнении фототранзистора позволяет избежать гистерезис в схеме компаратора, но рефлективный датчик потребует дополнительных аппаратных и программных средств. Для обнаружения необычных условий программа может иметь таймер, отслеживающий время между прерываниями, при несогласовании которого подпрограмма обслуживания прерываний может их игнорировать.
Для правильности и безопасности системы необходима и гарантия того, что сбойные датчики будут локализованы. Так, сбойный или отсоединенный светодиод позволяет фототранзистору предоставлять системе информацию об остановке двигателя, закрытом капоте или двери. Ту же самую информацию может предоставлять засоренный фототранзистор.
Первый способ решения проблемы -- применение двух датчиков с инверсными выходами. Один из них блокируется при открытом капоте, второй -- при закрытом. Одновременно анализируется состояние двух датчиков, которые для верификации состояния или функциональности системы должны оба находиться в правильном состоянии.
Метод обнаружения отсоединенного светодиода -- определение напряжения на аноде светодиода. Когда светодиод включен, падение напряжения, определяемое компаратором, составит около 1,2 В (типично), и выход компаратора будет высоким. Если светодиод открывается, напряжение на аноде возрастет до Ucc (более 3 В).
Для детектирования сбойных условий закорачивания можно добавить второй компаратор. Опорное напряжение в этом случае выбирается порядка 0,6 В, программное обеспечение объявляет ошибку, если напряжение падает ниже опорного.
Оптические энкодеры
Угловые оптические энкодеры
Принципы работы угловых энкодеров проиллюстрированы рис. 18, 19.
Рис. 18. Инкрементальный энкодер -- датчик относительного положения, скорости и направления а-б -- угловой инкрементальный энкодер; в -- конструкция измерительной головки: 1 -- корпус датчика; 2 -- светодиод -- источник света для инкрементальных каналов А и Б; 3, 4 -- ординарные фотодетекторы (фототранзисторы или фотодиоды); 5 -- светодиод -- источник света для индексного канала; 6 -- фотодетектор индексной метки; 7 -- терминалы для монтажа на печатной плате; 8 -- элементы для монтажа корпуса; 9 -- 4-битный (24 = 16 положений) перфорированный ротор с прорезями; 10 -- прорези для инкрементальных каналов; 11 -- прорезь -- индексная метка; 12 -- вращающийся вал; г -- вариант исполнения 4-битного инкрементального ротора из стекла; д-е -- варианты сигналов инкрементального энкодера: д -- цифровой инкрементальный энкодер (инкрементальные каналы А и Б, индексный выход В фототранзисторов, канал скорости);
Угловой оптический энкодер состоит из тонкого оптического диска и стационарного блока -- измерительной головки, включающей источник света и фотодетектор. Измерительная головка может быть построена как по принципу прерывателя, так и рефлектора, но прерыватель проще реализуется и используется чаще.
Оптический диск прерываемого энкодера включает кодированную последовательность прозрачных и непрозрачных участков. Маркеры могут представлять собой, например, отверстия в металлическом листе или метки на стеклянном диске. При вращении диска, в зависимости от его типа, маркеры пропускают или перекрывают луч света, направленный от светового источника к фотоприемнику (фотодиоду или фототранзистору).
Фотодетектор генерирует сигнал частотой, равной частоте следования кодовых элементов, в цифровой форме (фототранзистор) или аналоговый импульсный сигнал, который также может быть усилен и оцифрован. При подключении внешнего счетчика прямоугольных импульсов оптический метод позволяет измерять угловую скорость вращения диска. Посредством нанесения специальной индексной отметки, индицирующей начальное положение диска, уже можно измерять относительное угловое положение вала в диапазоне 360° (рис. 18). Этот тип датчиков представляет собой так называемые инкрементальные энкодеры -- самые простые и наименее дорогие оптические устройства.
При добавлении второй пары «светодиод-фототранзистор» с угловым смещением относительно первой, соответствующим четверти периода сигнала, может быть получена вторая последовательность импульсов -- канал Б с фазовым смещением относительно канала А на 90° (рис. 19д-ж). Инкрементальный энкодер, который использует три оптических датчика (один для детектирования положения фазы 0° -- канал В, два других -- для формирования инкрементальных каналов с фазовым смещением сигналов в 90°), позволяет одновременно удваивать разрешение при измерении положения и скорости и детектировать направление.
Разрешение инкрементальных энкодеров измеряется в импульсах за оборот (pulses per revolution, ppr). В дальнейшем разрешение может быть увеличено посредством нанесения большего числа линий на оптический диск и добавления пар «светодиод-фотодетектор» в измерительной головке. Максимальное число счетов за вращение представляет собой функцию диаметра энкодерного диска и характеристик светопередачи, определяющих допустимый размер кодовых элементов.
Существуют различные способы нанесения маркеров на оптический диск. В ранних системах чаще использовались металлические диски с перфорацией (рис. 18а-б), но максимальная площадь отверстий для повышения разрешающей способности и точности датчика ограничена -- должно оставаться некоторое количество материала, обеспечивающее форму и прочность диска. Современные диски изготавливаются из стекла, маркеры на котором вытравливаются (рис. 18г, рис. 19г). Этот метод позволяет получить типично 100-6000 сегментов, что соответствует разрешению в 3,6-0,06°.
Одним из главных недостатков инкрементального энкодера является то, что последовательность импульсов запасается во внешнем буфере или счетчике. При сбое в подаче питания счет будет потерян. Кроме того, если машина с инкрементальным энкодером предполагает отключение на ночь, то на следующий день энкодер не сможет предоставить информацию о точном положении вала, пока не будет активирован внешний переключатель (home-detection switch) или программа подключения, вращающая вал до прохождения индексной отметки, которая затем каждый раз обнуляет буфер счетчика, начиная отсчет относительного положения.
Решение данной проблемы предоставляют абсолютные энкодеры (рис. 19), которые используют более точный метод определения положения, основанный на кодировании абсолютного положения посредством множественных групп сегментов, размещенных на диске по линиям концентрических окружностей.
Рис. 19. Абсолютный энкодер -- датчик абсолютного положения и скорости а-б -- 4-битный угловой абсолютный энкодер; в -- конструкция измерительной головки: 1 -- корпус датчика; 2 -- массив светодиодов; 3 -- массив фотодетекторов (фототранзисторов или фотодиодов); 4 -- терминалы измерительной головки; 5 -- 4-битный ротор с кодом Грэя; 6 -- вращающийся вал; г -- вариант исполнения 4-битного абсолютного ротора с двоичным кодом из стекла; д -- выходной цифровой код двоичного абсолютного энкодера; е, ж -- линейный 4-битный абсолютный энкодер с двоичным кодированием и оцениванием посредством V-выборки; 1 -- корпус измерительной головки; 2 -- измерительная линейка; 3 -- массив фотодетекторов V-выборки; е -- оценивание посредством V-выборки: AB0, A1…A4, B1…B4 -- фотодетекторы в составе двух линеек V-выборки (выбираемые для оценивания подсвечены желтым); ж -- иллюстрация линейного абсолютного энкодера.
Концентрические окружности начинаются в центре энкодерного диска, при этом каждая следующая окружность характеризуется количеством сегментов, удвоенным по сравнению с предыдущей. Первое кольцо будет иметь только один прозрачный и один непрозрачный сегмент, второе -- два прозрачных и два непрозрачных, третье -- по четыре тех и других и т. д. Число окружностей определяет разрядность энкодера: 4 окружности соответствуют 4-разрядному энкодеру (24 = 16 положений), 16 -- 16-разрядному устройству с 32 767 сегментами и угловыми положениями.
Для считывания двоичного кода посредством абсолютного энкодера необходим один источник света и один фотоприемник для каждой линии на энкодерном диске. В измерительной головке светодиоды и, что более важно, фотодетекторы объединяются в линейные массивы (рис. 19в).
Поскольку абсолютный энкодер образует последовательность битов, различную для каждого углового положения, он всегда предоставляет информацию об угловом положении системы, при включении и выключении не нуждается в переключателе нулевого положения и программе подключения и более устойчив к шумам, так как следующее за сбойным положение будет прочитано правильно.
В энкодере на рис. 19а-б четыре оптических датчика детектируют маркеры диска с четырехбитным кодом Грэя, который позволяет закодировать 16 положений диска без опорной отметки: для каждого перехода сигнал изменяется только на один бит. Код Грея характеризуется отсутствием ошибок, но его недостаток -- применение различных схем кодирования, более сложное оценивание сигналов и неоднозначность сигнала при неожиданном сбросе.
Другой вариант -- использование стандартного бинарного (двоичного) кода, но на практике этот тип энкодеров имеет один недостаток: при переходе от 1111 к 0000 все четыре бита изменяются одновременно, и если переход в реальной системе выполнен не одновременно, это может приводить к ошибкам.
Для минимизации ошибок в двоичном коде предназначена так называемая V-выборка, принцип которой для диска, развернутого в прямую линию, проиллюстрирован на рис. 19е. Две линейки светодиодов и фотодетекторов размещаются в V-образной форме, для которой фотодетектор AB0 является общим. Для оценки V-выборки разработан специальный алгоритм, согласно которому логическое значение «0» или «1» для данного положения детектора, выбранного в линии i, определяет, какой детектор -- «B» или «A» -- должен быть активирован в линии (i+1). Если AB0 соответствует логическая «1», во второй линии анализируется A1, если AB0 соответствует логический «0», анализируется B1. Поскольку A1 на рис. 19е -- «0», в линии 3 берется детектор B2. Последовательность выбранных фотодетекторов на рис. 19е подсвечена желтым цветом.
