Для точного измерения положений объектов и их перемещений на длинных и коротких расстояниях подходят оптические системы, работающие в ближнем ИК спектральном диапазоне. Примерами таких систем являются позиционно-чувствительные детекторы (ПЧД), часто используемые в устройствах автофокусировки фото- и видео- камер. Модуль определения положения объекта является активным устройством: в его состав входит светоизлучающий диод (СИД) и ПЧД с фотодетектором. Принцип действия этого устройства основан на геометрических свойствах треугольников. На рис. 7.35 показано, как можно найти расстояние до объекта. Излучение от СИД, работающего в ближней ИК области спектра, проходя через линзу коллиматора, формирует луч с малым углом отклонения (менее 2 °). Луч представляет собой импульс длительностью 0.7 мс. Сталкиваясь с объектом, лучи отражаются назад на детектор. Полученное излучение (низкой интенсивности) фокусируется на чувствительной поверхности ПЧД. Выходные сигналы ПЧД(токи |IВи IА) пропорциональны расстоянию х между центром детектора и световым пятном. Интенсивность дошедшего излучения сильно зависит от отражательных свойств объекта. Диффузионная отражающая способность в ближнем
(7.10)
Для исключения зависимости выходных токов от фотоэлектрического тока (а, следовательно, и от интенсивности света) найдем отношение токов:
(7.11)
которое можно переписать в виде:
(7.12)
На рис. 7.35 показана геометрическая модель описываемой измерительной системы. Решая задачу с двумя подобными треугольниками, получим выражение:
(7.13)
где f — фокусное расстояние принимающей линзы. Подставляя сюда уравнение (7.12), найдем зависимость между искомым расстоянием и отношением выходных токов:
(7.14)
в котором к называется геометрической константой модуля. Очевидно, что эта зависимость является линейной.
На этом же принципе работы реализован промышленный оптический датчик перемещений (рис. 7.37), в котором ПЧД используется для измерения неболь-
Рис.7.37. Оптические датчики на основе ПЧД (фирмы Keyence Corp. Of America, Fair Lawn, NJ)
ших перемещений на расстоянии нескольких сантиметров. Эти датчики эффективно работают в реальном масштабе времени и применяются при измерениях:
- высоты в таких устройствах, как системы контроля: качества печатных плат, уровня жидких и твердых сред, и т.д.,
- эксцентриситета вращающегося объекта,
- толщины,
- перемещений,
а также для обнаружения присутствия в рабочей зоне определенных объектов. Основным достоинством датчиков на основе ПЧД является то, что их точность может превышать точность самого ПЧД [12].
ПЧД выпускаются двух типов: одно и двухмерные. Эквивалентные схемы ПЧД обоих типов показаны на рис. 7.38. Поскольку в состав эквивалентных схем входят распределенные емкости и сопротивления, постоянные времени ПЧД зависят от положения светового пятна. При подаче на выход ступенчатой функции постоянная времени ПЧД с небольшой чувствительной зоной меняется в диапо-зоне 1...2 мкс. Спектральный диапазон ПЧД составляет 320...1100 нм, следовательно, они работают в УФ, видимом и ближнем ИК областях спектра. Чувствительная поверхность небольших одномерных ПЧД лежит в пределах 1x2... 1x12 мм, в то время как больших двухмерных ПЧД ее сторона равна 4...27 мм.
Р - генератор тока D - идеальный диод С\ - емкость перехода Rsh - шунтирующее сопротивление Rp - сопротивление позиционирования луча
(смещение)
Рис.7.38.Эквивалентные схемы: А — одномерного ПЧД, Б — двухмерного ПЧД. (Перепечатано с разрешения Hamamatsu Photonics К.К., Japan)