Свето-излучающие диоды и их применение - Мухитдинов М.
Скачать (прямая ссылка):
Выходной сигнал, пропорциональный частному или произведению входных величин, снимается с фоторезистора.
2.3. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ МЕХАНИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
Применение СИД в преобразователях механических величин значительно повышает надежность, быстродействие и обеспечивает высокие чувствительность и помехозащищенность.
На основе СИД можно создать малогабаритные измерители частоты вращения, датчики давления, уровнемеры и преобразователи линейных и угловых перемещений.
На рис. 2.8 приведена схема устройства для измерения частоты вращения вала. Работа устройства основана на стробоскопическом эффекте. Светоизлучающий диод СИД питается от генератора импульсов 1 с регулируемой частотой. Частота генерато-
25
Рис 2.8. Стробоскопический измеритель частоты вращения:
1 — генератор с регулируемой частотой; 2 —движок; 3 — зеркальный -отражатель; 4 — контролируемый объект
ра изменяется поворотом движка 2, который связан с указателем (стрелкой). Шкала устройства градуирована в оборотах в минуту.
В качестве излучателя в этом устройстве могут использоваться СИД, излучающие в видимой области спектра. Для увеличения интенсивности излучения можно использовать комбинацию из нескольких последовательно включенных СИД.
Непрерывный бесконтактный контроль частоты вращения различных электрических машин можно осуществлять, если в вал машины встроить СИД и электрически связать его с несколькими витками катушки, намотанных на якорь машины. При вращении якоря через СИД протекает пульсирующий ток, частота которого .зависит от частоты вращения ротора машины. Этот ток вызывает пульсирующий поток, который принимается фотоприемником и преобразуется в пульсирующий электрический сигнал. Измерив частоту сигнала, можно определить частоту вращения ротора машины.
Применение принципа нарушения полного внутреннего отражения позволяет создавать простые и надежные в эксплуатации датчики давления [11, 28]. Конструкция такого датчика приведена на рис. 2.9. Чувствительный элемент датчика представляет собой стеклянную призму и прикрепленную к гипотенузной грани призмы стеклянную мембрану, разделенные кольцевой прокладкой толщиной около 1 мкм.
Принцип действия датчика заключается в следующем. Если зазор между стеклянной мембраной 6 и верхней гранью призмы 7 примерно равен длине волны используемого излучения, то весь свет от СИД, проходя по световодам 1, испытывает полное внутреннее отражение на верхней грани призмы и попадает на фото-
Рис 2 9. Конструкция датчика давления:
/ — световоды; 2 — корпус; 3 —капсула; 4 — прокладка; 5—разделитель; 6— мембрана; 7—призма
Рис. 2 10. Зависимость отраженного светового потока от давления
О 0,Z 10,4- 0,6 Р,кгс/смг
2 С
приемник ФД. При подаче давления мембрана прогибается, уменьшая зазор, что приводит к частичному нарушению полного внутреннего отражения. Зависимость отраженного светового потока от прогиба мембраны представляет собой изменение отражательной способности на границе двух оптических сред, разделенных тонким зазором переменной величины. Глубина модуляции излучения зависит от конструктивных параметров датчика давления [11]:
М = 1 ехр ^ Э — — RSmin,
где Smin — величина шероховатости поверхности мембраны и грани призмы; dB — диаметр волновых световодов; к — диаметр пятна оптического контакта; R — отражательная способность; р —• эмпирический коэффициент; d — длина пути осевых лучей от СИД до фотоприемника.
Расчет статических характеристик датчика включает в себя (кроме расчета модуляционных характеристик) расчет упругого-, элемента. Уравнение упругого элемента выглядит так [11]:
Р == W _ К
3(1 — ц2) \Ri R*r*
где Р — перепад давления; Е — модуль упругости мембраны; (г — коэффициент Пуансона; /гр, hM — толщины разделителя и мембраны; г, R — радиусы разделителя и мембраны; W—перемещение упругого элемента.
В качестве излучателя в этом датчике использовался СИД типа АЛ 107, а в качестве фотоприемника — кремниевый фотодиод.
Стабильность характеристик датчика давления определяется в основном стабильностью излучателя и фотоприемника. Стабили- • зацию светового потока можно осуществить описанными в гл. 1 методами. На рис.
2.10 приведена зависимость светового потока от величины давления для этого датчика, полученная экспериментально [11].
По принципу нарушения полного внутреннего отражения можно построить также оптоэлектронный уровнемер. В оптоэлектронном уровнемере с открытым протяженным световодом, изображенном на рис. 2.11,а, нарушение ПОЛНОГО внутреннего Рис. 2.11. Конструкция уровнемера жидко-
ОтражеНИЯ ПРОИСХОДИТ За сти (а) и зависимость фототока от уровня
счет контакта с контролиру- жидкости (б):
ри • г 1 1 "I / — корпус; 2 — светоизлучающий диод; 3 — све-
ЖИДКОСТЬЮ L-tlJ. товод; 4 — фотоприемник; 5 — отражающая маска
27
Уровнемер состоит из плоскопараллельного световода 3 со скошенными торцами, через которые осуществляются ввод светового потока от СИД 2 и вывод его из световода на фотоприемник 4. Зависимость фототока от уровня жидкости определяется из выражения [Ы]
1ф = фо-у (1—Дф)2е-еР^Л,
где S—чувствительность фотоприемника; Ф0 — световой поток СИД; F—площадь световода; А—коэффициент потерь на оптическом пути; Rф—коэффициент отражения светового потока от торцов световода; е— коэффициент ослабления светового потока от границы раздела световод — жидкость; N — число отражений светового потока от поверхности световода; Р — длина световода.
