Princip rada optoelektronskih senzora se zasniva na promeni parametara optičkog signala sa promenom fizičke veličine. Samim tim ovi senzori nemaju galvanske ili magnetne veze, već samo optičke. Zato se često nazivaju i optički senzori. Kod optičkih senzora je postignuto: galvansko odvajanje, zaštita od šumova, mogućnost merenja fizičkih veličina, kako u oblasti malih tako i u oblasti velikih vrednosti, standardizacija izlaznog signala, visok kvalitet statičkih i dinamičkih karakteristika, itd.
Optički senzori se mogu upotrebiti u svim uslovima delovanja jakog magnetnog polja, visoke temperature, električnih šumova i hemijske korozije, pa su mnogo fleksibilniji i pouzdaniji od klasičnih senzora. Loše osobine su: složenost izrade, obrade signala, zahtevaju optičku vidljivost između prijemnika i predajnika, osetljivost na mehaničke vibracije i relativno visoka cena.
Merena fizička veličina (npr. pomeraj) je u vezi sa određenim parametrom optičkog signala koji je u suštini elektromagnetni talas sa frekvencijom 1013–1015 Hz . Promena parametara optičkog signala, srazmerno amplitudi merene fizičke veličine, predstavlja modulaciju tog signala. Osnovni parametri optičkog signala su: amplituda, frekvencija, faza, polarizacija i rasejavanje svetlosnog toka. Modulatori koji se primenjuju u gradnji optičkih senzora su optoelektronski modulatori. Kod njih se menjaju parametri optičkog signala pomoću elementa koji menja svoja optička svojstva, zahvaljujući delovanju naponskog ili strujnog signala.
Podela optoelektronskih senzora
Podela optoelektronskih senzora prema načinu konverzije merene fizičke veličine u mernu informaciju:
- senzori sa analognom konverzijom,
- senzori sa konverzijom analognog signala u signal sa promenljivom periodom ili frekvencijom,
- senzori sa analogno-digitalnom konverzijom.
Optoelektronski senzori sa analognom konverzijom se mogu dalje podeliti na: fotodiode, fototranzistore i fotopotenciometre. Kod takvih senzora ulazna veličina je intenzitet svetlosti ili pozicija na fotoosetljivoj površini prijemnika na kojoj pada zrak svetlosti konstantnog intenziteta. Pozicija se menja zakretanjem svetlosnog zraka pomoću nekog optičkog elementa (sočiva, prizme, itd.). Izlazni signal optičkog prijemnika je amplituda električne struje ili napona.
Konstrukcije optičkih senzora
Optički senzori se sastoje od tri dela: izvora svetlosti, prijemnika i prenosnog medija. Između izvora i prijemnika veze mogu biti optičke ili električne. Na slici 1 su predstavljene dve blok šeme različitih izvedbi optičkih senzora. U prvom slučaju unutrašnje veze su optičke dok su spoljašnje električne. Na ulaz senzora dovodi se električni signal koji pobuđuje optički izvor. Optički signal iz optičkog izvora se prenosi kroz optički kabl do optičkog prijemnika, na čijem se izlazu generiše električni signal. U drugom slučaju
unutrašnje veze su električne a spoljašnje su optičke. Na ulaz senzora dovodi se optički signal koji pobuđuje optički prijemnik, koji zatim pretvara optički signal u električni signal. Električni signal se pojačava i vodi na generator optičkog signala.
unutrašnje veze su električne a spoljašnje su optičke. Na ulaz senzora dovodi se optički signal koji pobuđuje optički prijemnik, koji zatim pretvara optički signal u električni signal. Električni signal se pojačava i vodi na generator optičkog signala.
Slika 1. Blok šema optičkih senzora, gde su:
a) unutrašnje veze optičke, spoljašnje električne,
b) unutračnje veze električne, spoljašnje optičke.
a) unutrašnje veze optičke, spoljašnje električne,
b) unutračnje veze električne, spoljašnje optičke.
Kao izvori svetlosti najčešće se koriste LED diode i laserske diode. Kod njih se emitovanje fotona ostvaruje prelaskom elektrona sa višeg na niži energetski nivo, tj. sa prelaskom iz provodne u valentnu zonu. Kod lasera je to stimulisana emisija a kod LED dioda spontana emisija. Zato laser daje snažniji optički signal užeg frekventnog opsega i manje vremenske konstante. Za praktičnu primenu u tehnici senzora povoljnije su LED diode zbog linearnije karakteristike, veće pouzdanosti i manje cene. Svetlost koju zrače LED diode i laseri treba da je koherentna, tj. određene talasne dužine. LED diode najčešće emituju zelenu, crvenu i žutu svetlost u vidljivom spektru od 380 nm do 750 nm, a ultraljubičastu (UV) i infracrvenu (IR) u nevidljivom delu spektra.
Prijemnik svetlosti konvertuje optičku energiju u električni signal. U ove svrhe se mogu upotrebiti: fotodiode, fototranzistori, fotootpornici, fotopotenciometri, itd.
Optoelektronski senzori pomeraja
Većina senzora pomaka koriste laser (Slika 2) kao izvor svetlosti, umesto LED diode. Ovi izvori svetlosti emituju vrlo precizan snop svetlosti. Svetlost se zatim fokusira uz pomoć sočiva i usmerava ka objektu. Takva svetlost se reflektuje od objekta i vraća nazad do detektora koji je osetljiv na pomeraj objekta, tzv. PSD detektor (Position Sensitive Detector). Pošto se objekat približava i udaljava od senzora, ugao reflektovane svetlosti se menja, prouzrokujući na taj način da se mesto gde svetlosni snop pada na detektor, menja. Sa preciznim laserskim snopom svetlosti, mesto pada reflektovane svetlosti na PSD detektoru se može vrlo tačno odrediti, sa vrlo malom greškom merenja. Rezultati ovog merenja se prenose na analogni izlaz.
Slika 2.Optoelektronski laserski senzor pomeraja
U slučaju sjajne i glatke površine objekta većina laserskih senzora pomaka ima problema sa uspostavljanjem stabilnog stanja . Razlog tome je što se komponente svetlosti različito reflektuju. Za takvu detekciju koriste se posebni modeli laserskog senzora pomaka koji su tako konstruisani da mogu detektovati reflektovanu svetlost sa glatke površine.
Postoje laserski senzori koji mogu detektovati veličinu objekta i pomeraja preko količine svetlosti iz svetlosnog snopa koju objekat prekine (Slika 3). Laserski snop se uspostavlja između emitora i prijemnika, koji ima prorez na ulazu poznate širine. Iza proreza se nalazi CCD prijemnik koji reaguje na količinu svetlosti koja padne na njega. Kada svetlosni snop ne prekida objekat, onda postoji veća količina svetlosti koja padna na prijemnik. Kada objekat prekine deo putanje svetlosti onda se smanji količina svetlosti koja padne na prijemnik, i izlaz se menja. Na izlazu postoji linearna zavisnost između stanja kada ništa ne preseca svetlost, do stanja kada je snop potpuno prekinut.
Slika 3.Laserski senzor za detektovanje veličine i pomeraja objekta
Zbog sposobnosti detekcije i merenja malih rastojanja, laserski senzori pomaka se koriste u mnogim slučajevima kada je potrebna kontrola proizvoda. Za merenje debljine objekta, kao na slici 4, koriste se dva senzora. Mere se rastojanja A i B i potom sabiraju. Senzori su tako postavljeni da mere pojedinačno rastojanja. Oduzimanjem merenih rastojanja A i B do objekta od ukupnog rastojanja između senzora dobija se debljina objekta.
Slika 4. Laserski senzor za merenje debljine objekta
Debljina objekta koji je u obliku ploče, kao na slici 2.35, se može meriti pomoću jednog senzora. Senzor se podesi na neko poznato, unapred zadato, rastojanje od objekta. Ako se debljina ploče promeni u odnosu na unapred zadatu vrednost, onda se i izlaz iz senzora menja, i na taj način se vrši merenje debljine ploče. Na ovom principu radi još čitav niz aplikacija sa ovim senzorima.
Slika 5. Laserski senzor za merenje debljine ploče
Autor:
Fakultet tehničkih nauka – Novi Sad, Katedra za elektroniku
