Принцип работы и проверка оптических датчиков

Качественные электромагнитные модели

Mastech MS6818

Прибор подойдет для тех, кто думает, что в его квартире работает проводной жучок. Этот детектор обнаружит любую скрытую проводку. Максимальная глубина составляет – 200 см, что является отличным результатом для профессионального и домашнего пользования. Для удобства присутствует информативный дисплей, звуковая индикация и т.п. Батарейки идут в комплекте.

Средняя цена – 12 400 рублей.

детектор Mastech MS6818

Достоинства:

  • Хорошо функционирует;
  • Комплектация;
  • Продолжительная автономность;
  • Глубина обнаружения – 200 см.

Недостатки:

Espada Gm3120

Отличный детектор электромагнитных полей, который без проблем обнаружит любой источник видеозаписи. Устройство отлично подойдет для профессионального и бытового использования. Этот прибор используется не только для поиска проводных жучков, но и подойдет для строительства.

Средняя стоимость – 2 200 рублей.

детектор Espada Gm3120

Достоинства:

  • Хороший дисплей;
  • Быстрое обнаружение скрытой проводки;
  • Качественный корпус;
  • Небольшой вес.

Недостатки:

Bosch GMS 120 Professional

Универсальный детектор, который мгновенно обнаружит любую скрытую проводку. Для удобства есть специальное маркировочное отверстие. Дисплей подсвечивается, что позволяет проводить операции по поиску в затемненных помещениях.

Средняя цена – 5 300 рублей.

детектор Bosch GMS 120 Professional

Достоинства:

  • Качественная сборка;
  • Шкала обнаружения;
  • Годовая гарантия;
  • Приятный пластик.

Недостатки:

Источники белого света с использованием вольфрамовой лампы

Эти источники являются альтернативными LED дешевыми источниками сигнала. В сочетании с кремниевым детектором они могут использоваться для измерения уровня затухания в оптическом кабеле на длине
волны 850 нм, в сочетании с детектором InGaAs — на длине волны 1310 нм, поскольку суперпозиция спектральной характеристики OPM и источника белого света дают центральную частоту 1300 нм.

Источники белого света могут использоваться для измерений, не требующих особой точности, а также для визуального обнаружения обрывов или деградации кабеля без опасности повреждения глаз, которая имеется при использовании лазерных источников.

В настоящее время источники белого света практически вытеснены с телекоммуникационного рынка в связи со значительным снижением цены на лазерные и светодиодные источники.

Основными техническими характеристиками стабилизированных источников являются:

  • стабильность работы
  • выходная мощность
  • частота модуляции

Стабильность работы SLS — техническая характеристика SLS как прибора — включает в себя как стабильность по выходному уровню, так и спектральную стабильность в зависимости от времени и температуры и является основной. Стабильность работы во времени определяет частоту калибровки SLS , а температурная стабильность является характеристикой применимости прибора в эксплуатационных измерениях. Данные параметры прибора зависят как от самого источника оптического сигнала, так и от механизма ввода оптического сигнала в волоконно-оптический кабель

Наиболее существенным внешним фактором воздействия на работу SLS является температура, это особенно важно для лазерных источников сигнала. Для компенсации температурного воздействия в SLS обычно используется термостатирование

Выходная мощность SLS зависит от параметров источника сигнала и от эффективности механизма ввода оптического сигнала в кабель. В лазерных источниках сигнала обеспечивается высокая эффективность ввода (до 30%) за счет использования специального загрузочного кабеля (pigtail), что дополнительно увеличивает их стоимость, в светодиодных SLS , представляющих более дешевые средства, эффективность ввода невелика и составляет обычно 5%.
Как уже отмечалось выше, ширина спектральной характеристики лазерных источников сигнала составляет обычно 2-5 нм, для светодиодных — 30-100 нм (некоторые модели обеспечивают до 170 нм на длине волны 1310 нм). Большая спектральная характеристика приводит к значительным ошибкам при передаче, главным образом за счет воздействия дисперсии.

Предельная частота модуляции определяется временем нарастания и спада сигнала. Если время нарастания сигнала связана с работой цепей питания, то время спада определяется характеристиками источника. Наиболее высокую частоту модуляции сигнала обеспечивают лазерные источники.

Анализаторы затухания в оптическом кабеле

Рис. 14. Тестр ОТ-2-1

Анализатор затухания, вносимого оптическим кабелем (Optical Loss Test Set — OLTS), представляет собой комбинацию оптического измерителя мощности и источника оптического сигнала.
Различают интегрированные и раздельные измерители потерь. Интегрированные имеют источник сигнала и измеритель мощности в одном устройстве, а разделенные измерители представляют собой набор из источника сигнала и ОРМ. Соответственно, технические параметры анализаторов потерь содержат все перечисленные параметры для источников сигнала и оптических измерителей мощности.

Рис. 15. Тестер FOT-920 MaxTester

Анализаторы потерь оптической мощности обеспечивают пошаговый анализ оптической линии передачи, включая участки кабеля, места соединений и сварок. Это в первую очередь касается раздельных эксплуатационных анализаторов потерь оптической мощности. В то же время интегрированные анализаторы потерь, которые обычно применяются для промышленного анализа, обладают повышенной функциональностью и точностью измерений. Например, многие двух-частотные анализаторы могут выполнять измерения на длинах волн 1310 и 1550 нм автоматически.

Назад

Вперед

Типы и принцип действия

По принципу работы существуют три типа измерителей:

  1. Тип T – Барьерный – принимает луч от обособленно стоящего излучателя

Излучатель и приемник находятся напротив друг друга обособленно. Дистанция между ними достигает ста метров. Любое прерывание проходящего между ними луча принимается как входящий сигнал и отправляется в процессор для обработки.

  1. Тип R – Рефлекторный – принимает отраженный от катафота луч

Дальность действие достигает 8 метров. Расположены передатчик и приемник в одном корпусе. Активно используются на конвейерных производствах для измерения количества изготавливаемого продукта. Способны определять предметы с зеркальной поверхностью благодаря катафоту и поляризационному фильтру.

  1. Тип D – Диффузионный – принимает рассеянно отраженный объектом луч

Дистанция срабатывания до двух метров. Обе активных части датчика расположены под одной крышей и считывают интенсивность луча отраженного объектом.

Во всех нынешних оптических датчиках для излучения используются светодиоды. Устройства, как правило, имеют регулятор чувствительности, который можно настроить в зависимости от рабочей среды.

Лазерные источники оптического сигнала

Эти источники имеют узкую полосу излучения и генерируют практически монохроматический сигнал. В отличие от светодиодных источников сигнала, лазерные источники не имеют постоянной характеристики в излучаемом диапазоне. Характеристика лазерного источника имеет несколько дискретных частот излучения по краям основной частоты.
Таким образом, спектральная характеристика лазерных источников характеризуется значительной неравномерностью, что может приводить к искажениям при измерениях (см. об этом ниже). Эти источники являются самыми мощными, однако самыми дорогими. Они используются для измерения оптических потерь в одномодовом кабеле на большом расстоянии (уровень потерь более 10 дБ). Для измерения многомодовых кабелей обычно не рекомендуются лазерные источники из-за дисперсии в кабеле.

Рис. 13. Источник оптического сигнала «GN 6150»

Описание датчика света

Итак, что такое датчик света, для чего он используется в автомобиле и в чем заключается его принцип работы? Для начала рассмотрим описание устройства.

Предназначение, местонахождение и принцип работы

Световые контроллеры предназначены для автоматической активации света оптики при наступлении темноты или движении по неосвещенным участкам дороги. Когда на улице становится темно, контроллер сам активирует габаритные они, а также ближнее освещение. То же самое касается и поездок в тоннеле — при въезде датчик включит фонари, а при выезде из тоннеля — отключит их.

Контроллер света с проводкой для подключения

Как работает датчик? В соответствии со схемой, принцип функционирования девайса довольно простой. В устройстве используется специальный фотоэлемент, предназначенный для измерения освещения вокруг транспортного средства.

Для обработки сигналов фотоэлемента используется управляющий модуль, а непосредственно функцию активации и отключения освещения выполняет реле. Фотоэлемент производит измерение света в двух зонах — вокруг транспортного средства, а также конкретно перед ним. Такой принцип позволяет исключить возможные ложные срабатывания.

При необходимости автовладелец в любой момент сможет произвести регулировку устройства, чтобы девайс активировал оптику при определенном снижении степени света. Иными словами, водитель может выставить определенный порог срабатывания. Сам по себе контроллер срабатывает вольно быстро — когда освещенность улицы снижается до указанного порога, для активации оптики потребуется не более двух секунд. Что касается отключения, то для этого требуется не меньше шести секунд.

Управляющий модуль, осуществляющий функцию обработки импульсов, при уменьшении освещенности на дороге передает соответствующий сигнал на реле. На модуле имеется специальный болт, использующийся для регулировки чувствительности контроллера. Само реле напрямую подключено к проводке управления оптикой. Что касается места расположения, то оно может отличаться в зависимости от авто. Как правило, устройства устанавливаются в салоне авто, под лобовым стеклом. Также его монтаж возможен на центральной консоли либо на зеркале заднего вида.

Фотогалерея «Место расположения контроллера»

1. Место монтажа под лобовым стеклом

2. Фоточувствительный элемент на центральной консоли

3. Датчик света на зеркале заднего вида

Разновидности

В настоящее время производители выпускают множество моделей машины, которые изначально комплектуются контроллерами такого типа. Устройство может функционировать не всегда, так как при необходимости автовладелец может его отключить.

По разновидностям эти устройства можно разделить на два вида:

  1. Универсальные контроллеры. Их монтаж возможен в соответствии со схемой на любую модель транспортного средства в силу универсальности устройства и способе его подключения.
  2. Модели для определенных транспортных средств. То есть предназначенные для конкретной модели авто (автор видео — Евгений офф).
Работа датчика света и дождя на поло седанРабота датчика света и дождя на поло седан

Что касается отличий, то их практически нет. Единственно различие заключается в том, что универсальные девайсы не комплектуются селектором с положением «Auto», который можно установить на подрулевой переключатель.

Однако следует отметить, что существуют и типы контроллеров:

  1. Для ближнего освещения, используются только для выполнения этой функции.
  2. Для активации габаритных огней, как правило, такие девайсы применяются для подсветки грузовиков. Они не будут функционировать в светлое время суток, а также при активации оптики. Но когда на улице станет темно, автомобиль сам начнет светиться.
  3. Устройства салонного типа. С помощью таких девайсов можно произвести регулировку уровня освещенности в салоне машины.

Характерные неисправности и способы их устранения

Какие неполадки могут произойти в работе датчиков:

  1. Выход из строя фоточувствительного элемента. Такая ошибка приведет к неработоспособности девайса, а заменить сам чувствительный компонент может быть проблематично. Как правило, при таких неисправностях устройство просто меняется на новое.
  2. Выход из строя управляющего модуля. Также неприятная проблема, поскольку она чревата полной заменой блока управления, если его не удастся отремонтировать.
  3. Поломка реле. Наименее затратный вариант. Поскольку само реле не может работать вечно, рано ли поздно оно в любом случае выйдет из строя, для решения проблемы этот элемент нужно просто поменять.
  4. Повреждения проводки. При такой проблеме нужно прозванивать электроцепь и икать обрыв или пробой провода, поврежденные участки подлежат замене (автор видео — канал KingSyze911).

Светодиодные оптические источники

Этот тип оптических источников сигнала имеет более широкий спектр излучения, обычно в пределах 50-200 нм. В светодиодных источниках используется принцип спонтанного излучения света, поэтому сигнал светодиода является некогерентным и спектрально более однородным. Для стабилизации уровня выходной мощности LED достаточно стабилизировать цепь питания источника, поэтому светодиодные источники отличаются повышенной стабильностью выходного уровня. Они дешевле лазерных и часто применяются для анализа потерь в кабелях малой длины, например, в приложениях анализа кабелей ЛВС. Однако использование их для анализа наихудшего случая распространения сигнала, когда нужна значительная мощность передаваемого сигнала, нецелесообразно.

Неисправности и уход за оптическими датчиками

Так же как и оптика зеркальных фотоаппаратов – нужна чистка, аккуратная протирка и проверка механической целостности.

Я для чистки оптики использую салфетки, смоченные в воде с добавлением ничтожного количества нейтрального моющего средства. Например, для посуды. Потом вытираю сухой салфеткой. Главное – чтобы не попал абразив.

Ещё особенность. В оптических датчиках излучающий элемент – как правило, светодиод. Он имеет свой ресурс работы, и со временем интенсивность его излучения падает. Поэтому неудивительно, что раз в несколько лет приходится настраивать чувствительность датчиков, такова селяви…

Утепление потолка

Из школьного курса физики известно, что теплый воздух поднимается вверх. И если препятствий на пути не будет, он благополучно уйдет в атмосферу, а вы будете сетовать, что мощности обогревателя недостаточно, и на террасе холодно. Чтобы этого не происходило, этап доработки потолка не стоит откладывать на потом.

Последовательность работ:

Установка обрешетки. Если есть балки, то листы утеплителя укладываются между ними. Если потолок бетонный, то без обрешетки не обойтись

Важно: между пенопластом или минватой и основой должен быть воздушный зазор и слой гидроизолирующей мембраны, чтобы не образовывался конденсат.
Традиционные материалы для утепления можно заменить на полимеры, покрытые тонким слоем алюминиевой фольги, отражающей тепло внутрь помещения. Для большей части помещений этого бывает достаточно, чтобы сократить расходы на отопление.

Где применяют оптические датчики

Датчики оптического типа применяют для эффективного определения или наличия предметов, которые присутствует на каком-либо объекте. С помощью устройства специалисты контролируют расстояние и габариты, степень прозрачности, цвет  конкретного объекта.

Обычно датчики ставят в системы автоматического управления освещением, охранные сигнализации или приборы на дистанционном управлении.

Простая конструкция оборудования обеспечивает высокую надежность, но при этом гарантирует точность любых измерений. Поскольку в датчиках используется кодированный световой сигнал, это увеличивает защиту от воздействия негативных факторов, а электроника сможет определить не только наличие нужного объекта на рабочей территории, но и учитывает его свойства — прозрачность или габариты.

Наибольшее распространение подобный тип датчиков получили в системах охранной сигнализации, где необходимо использовать высокочастотные системы распознавания движения. Независимо от выбранного вида приспособления, датчики — лучший вариант для системы управления автоматического оборудования.

Оптический датчик обладает не только высокой точностью, но и скоростью измерения с минимальным откликом на разрушение луча. Поскольку оптические датчики используют бесконтактный тип связи, это гарантирует продолжительный срок службы в любых производственных условиях.

Устройства также часто используют для подсчёта оборотов различных двигателей или уровня жидкостей. В этих ситуациях нужно в конкретную зону установить оптический датчик оборотов, вращения и оптический датчик уровня. Два вида устройств активно используют на промышленных предприятиях.

Подробнее о применении в ядерной энергетике

В области практического применения ядерной энергетики детекторы этого типа ценят за возможность дистанционного определения ключевых показателей работы станции на безопасном для оператора расстоянии. Источник сигнала может находиться в десятках и сотнях километров от воспринимающего отклик устройства трансивера. Использование оптоволоконного кабеля позволяет избежать применения импульсных трубок, что в свою очередь делает ненужным использование металлоемкая арматура, входящая в состав труб, минимизируются неточности измерений.

Отдельное поступление сигналов обеспечивается за счет того, что каждый детектор имеет свою максимальную длину отражаемой волны. Кроме этого в конструкциях имеющих большое количество установленных в системе датчиков, сигналы от сенсорного элемента поступают с определенным временным интервалом.

Общий принцип действия оптоволоконных датчиков

Принцип работы волоконно-оптических датчиков основан на преобразовании сигнала, полученного от чувствительного элемента в результате внешних изменений в показатели рассеянного или отраженного излучения. Специалисты в этой области электроники говорят о том, что в качестве выходного параметра в различных типах детекторов может измеряться:

  • Распределение параметров состава излучения по спектру или моде.
  • Фаза электромагнитной волны.
  • Показатели поляризации.
  • Интенсивность оптической волны.

Одним из основных элементов, позволяющих передавать сигнал об изменении свойств или состояния объекта, являются оптические модуляторы.

Общий принцип действия оптоволоконных детекторов состоит в том, что электромагнитная волна, генерируемая супер-люминесцентным оптическим источником или лазером, передается через волокно. При этом вследствие действия внешних факторов наблюдаются изменения в решетках Брэгга или незначительное колебания параметров волокна, которые достигают модуля детектирования, где происходит прием сигнала, его усиление и оценка.

Обратите внимание! Сам по себе прибор представляет собой устройство, имеющее небольшие размеры, характерной особенностью которого является то, что волокно выступает в качестве сенсора, способного определять параметры изменения величин и в качестве линии передачи сигнала. 

Принципы работы фотоприемников с внутренним фотоэффектом

В основе работы большинства современных фотоприемников лежит явление внутреннего фотоэффекта, при котором в результате поглощения фотонов с энергией, превышающей энергию запрещенной зоны, происходит переход электронов из валентной зоны в зону проводимости (генерация электронно-дырочных пар). При наличии электрического потенциала с появлением электронно-дырочных пар от воздействия оптического сигнала появляется электрический ток, обусловленный движением электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. Эффективная регистрация генерируемых в полупроводнике электронно-дырочных пар обеспечивается путем разделения носителей заряда. Для этого используется конструкция с p−n{\displaystyle p-n} переходом, которая называется фото-диодом. Из фотоприемников, применяемых в коммуникационных КПС (линиях связи), получили распространение p−i−n{\displaystyle p-i-n} фото-диоды, лавинные фотодиоды, фототранзисторы.

Рассмотрим принципы работы фотоприемника на примере p−i−n{\displaystyle p-i-n} фотодиода, для которого характерно наличие i-слоя (слаболегированного полупроводника n-типа) между слоями p+{\displaystyle p^{+}} — и n+{\displaystyle n^{+}} -типа (+ означает сильное легирование). Также i-слой называют обедненным слоем, поскольку в нем нет свободных носителей. На p−i−n{\displaystyle p-i-n} структуру подается напряжение с обратным смещением U0 (по сравнению со светоизлучающим диодом). Сильное легирование крайних слоев делает их проводящими, и максимальное значение электрического поля (градиент потенциала) создается в i-слое. Но поскольку нет свободных носителей в i-слое, нет и электрического тока, так что i-слой испытывает только поляризацию. При наличии падающего излучения на i-слой, в нем образуются свободные электронно-дырочные пары. Они под действием электрического поля быстро разделяются и двигаются в противоположных направлениях к своим электродам, образуя электрический ток. Эффективным является взаимодействие излучения только с i-слоем, так как при попадании фотонов в p+{\displaystyle p^{+}}- и n+{\displaystyle n^{+}}-слои возникает диффузионный ток, который имеет большую инерционность и ухудшает быстродействие. Поэтому при изготовлении фотодиодов стремятся делатьp+{\displaystyle p^{+}}- и n+{\displaystyle n^{+}}-слои как можно тоньше, а обедненную область достаточно большой протяженности, чтобы она полностью поглощала весь падающий свет.

Фотодиоды могут изготавливаться из разных материалов. Рабочие диапазоны длин волн, в которых достигается максимальная эффективность фотодиодов для разных полу-проводниковых материалов, могут существенно отличаться.
Эффективность (квантовая) обедненной области в рабочем диапазоне длин волн достаточно высока ~80-100%. Однако часть падающего излучения испытывает френелевское отражение от фоточувствительной поверхности из-за скачка показателей преломления на границе между этой поверхность и средой. Для уменьшения отражения приемную поверхность обедненного слоя покрывают антиотражающим слоем – специально подобранным прозрачным для длины волны излучения λ{\displaystyle \lambda }, материалом толщиной кратной λ4{\displaystyle \lambda /4} и показателем преломления, равным n1n2{\displaystyle {\sqrt {n_{1}n_{2}}}} где n1{\displaystyle n_{1}} и n2{\displaystyle n_{2}} – показатели преломления i-слоя и воздуха.

ВИДЫ И ТИПЫ ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ

В зависимости от типа и конструктивного исполнения ОД могут применяться в системах:

  • автоматизированного управления;
  • охранно пожарной сигнализации;
  • контроля и управления доступом.

В первом случае основной задачей является определение перемещения или положения предмета.

Если говорить про однолучевое исполнение, то при этом можно зафиксировать только факт появления объекта в зоне контроля. Причем точность такого позиционирования зависит от ширины (угла раскрыва) луча в рабочей зоне.

Косвенно определяется и факт перемещения (по появлению и исчезновению предмета в рабочей зоне). При этом направление перемещения определить невозможно. Для этих целей нужны, минимум, двухлучевые датчики с независимыми приемниками, работающими на прием каждым «своего» луча.

Направление движения определяется по последовательности срабатывания приемников. Обработка информации может производится отдельным прибором или устройством, интегрированным в датчик.

Такие технические решения применяются для детекции прямолинейных перемещений, или траекторий, спроецированных на плоскость. Плоскость перемещения или проекции в идеале должна быть перпендикулярна оптической оси датчика.

Классический вариант использования – контроль продукции на конвейере.

Если говорить про выбор конструктивного исполнения, то устройства, отслеживающие пересечение луча, предпочтительней по нескольким причинам:

  • они стабильней в работе;
  • при прочих равных условиях обеспечивают бо́льшие дальности обнаружения.

К вопросу о расстояниях. Оптические датчики способны работать на дистанциях до десятков метров. Правда, чем больше расстояние – тем ниже точность позиционирования и больше минимальный размер контролируемого объекта.

Но, как правило, для средств автоматики достаточно бывает расстояний до 1-2 метров.

Если условия эксплуатации не позволяют установить двухблочное оборудование, то применяют датчик, контролирующий отражение оптического излучения непосредственно от наблюдаемого предмета.

В этом случае возникают некоторые сложности:

  • регулировка чувствительности в зависимости от коэффициента отражения луча от предмета;
  • дальность действия относительно невелика и зависит от упомянутого выше коэффициента.

Динамический диапазон

Диапазон значений мощности от чувствительности до насыщения называется динамическим диапазоном. Максимально допустимое обратное напряжение Ur{\displaystyle U_{r}} – это напряжение, превышение которого может привести к пробою фотоприемника и его разрушению. Наряду с этим значением или вместо него изготовители фотоприемников могут указывать просто обратное рабочее напряжение. Если выбрать меньшее значение рабочего напряжения, то будет ограничена область линейной характеристики фотоприемника.

Рабочий диапазон температур (°С). Есть две характеристики, на которые сильно влияет изменение рабочей температуры фотоприемника.

Во-первых, это квантовая эффективность, которая может вести себя в общем случае довольно сложным образом с изменением температуры. Например, на рисунке (Рисунок 4.10 а) показана зависимость квантовой эффективности фотодиода на основе кремния. По горизонтальной оси отложена длина волны падающих фотонов, по вертикальной относительное процентное изменение квантовой эффективности при увеличении температуры на 1 градус. Из рисунка видно, что если длина волны меньше 600 нм, то с ростом температуры квантовая эффективность падает, а при λ>600{\displaystyle \lambda >600} нм квантовая эффективность увеличивается с ростом температуры.

Во-вторых, рост температуры приводит к экспоненциальному росту термических возбужденных электронно-дырочных пар, в результате чего также экспоненциально возрастает темновой ток.

Сфера применения

Основное применение этих датчиков долгое время лежало в сфере производства. На конвейерных линиях прибор считывал количество изготавливаемой продукции, качество ее изготовления, а так же скорость работы. Позже оптика прочно заняла свое место в контролях освещением, дистанционным управлением, в охранных системах.

Сегодня такие приспособления устанавливаются даже домой, чаще всего в качестве элемента «умного дома». Благодаря оптике дом реагирует на перемещения человека и старается угодить его желаниям исходя из введённых настроек.

Прибор используется в сигнализационных системах, оповещая дежурные пульты о проникновении на охраняемую территорию посторонних. Оптика используются даже внутри инструментов и машин, улучшая качество их работы, регулируя скорость, или даже отвечая за зажигание.

Температура

Проблемы контроля с помощью ЭД герметичности баков с жидким водородом, который является топливом современных ракетных двигателей, имеет температуру –253 °С и очень высокую текучесть, обусловлены тем, что при таких температурах большинство материалов становятся очень хрупкими, а чувствительность палладиевых датчиков быстро падает. Проблемным является измерение давления и сухости перегретого пара в газогенераторах и перегретого газа в соплах реактивных двигателей при температуре до +600 °С, поскольку пьезоэлектрические датчики быстро деградируют при температурах выше +300 °С.

Сенсоры современных ВОД физических величин являются теплостойкими (до +2300 °С) и хладостойкими (до –270 °С). Это позволяет надежно и долговременно контролировать техническое состояние высокотемпературных и криогенных объектов.

Оптические мыши на основе лазерных диодов

Принцип действия лазерной мыши в основном такой же, как и у оптической на основе СИД (рис. 2), за исключением того, что лазерная мышь использует в качестве источника освещения лазерный диод. Когерентные свойства лазерного излучения обуславливают высокую контрастность получаемого изображения при отражении от поверхности. Изображение, появляющееся на датчике, проявляет детали любой поверхности, даже глянцевой, которая выглядела бы совершенно однородной при освещении некогерентным светом СИД. В случае освещения поверхности лазером контрастность изображения поверхности увеличивается примерно в 20 раз, что позволяет прецизионному датчику изображения без затруднений отслеживать и рассчитывать положение и перемещение мыши там, где обычная мышь на основе СИД этого сделать не может.

Рис. 2. Оптическая мышь освещает область на рабочей поверхности с помощью светодиода, изображение поверхности отображается на навигационном датчике

Первая коммерчески доступная лазерная оптическая мышь была представлена в беспроводном варианте (рис. 3).

Рис. 3. Первая коммерческая лазерная мышь — беспроводная Logitech MX 1000 Laser Cordless Mouse

Принцип действия

Основными составляющими электронной аппаратуры, поддерживающей работу по преобразованию световых волн, являются:

  • Источник излучения – специальный диод, который генерирует сигналы;
  • Приемник света – фотодиод, реагирующий на определенные значения излучения. Используется для улавливания отраженных от различных поверхностей волн, сгенерированных ранее источником излучения;
  • Преобразователь электронного типа. Переводит определенные датчиком параметры световой энергии в сигналы, доступные для чтения смежной аппаратурой.

Работа датчиков строится на принципе улавливания отраженных волн от различных предметов обстановки. Длина световых волн и их интенсивность как параметры, позволяют определить измеряемые PhotoCell Sensor величины для последующей передачи в контрольный центр.

ПЗС

ПЗС — прибор с зарядовой связью (англ. CCD — Charge-Coupled Device). Общее обозначение класса полупроводниковых приборов, в которых применяется технология управляемого переноса заряда в объеме полупроводника.Наиболее ярким представителем приборов данного класса является ПЗС-матрица.


Рис. 6. Структурная схема ПЗС

Принцип действия

Название ПЗС — прибор с зарядовой связью — отражает способ считывания электрического потенциала методом сдвига заряда от элемента к элементу.

ПЗС устройство состоит из поликремния, отделённого от кремниевой подложки, у которой при подаче напряжения через поликремневые затворы изменяются электрические потенциалы вблизи электродов. Один элемент ПЗС-матрицы формируется тремя или четырьмя электродами. Положительное напряжение на одном из электродов создаёт потенциальную яму, куда устремляются электроны из соседней зоны. Последовательное переключение напряжения на электродах перемещает потенциальную яму, а следовательно, и находящиеся в ней электроны, в определённом направлении. Так происходит перемещение по одной строке матрицы.

Если речь идёт о ПЗС-линейке, то заряд в её единственной строке «перетекает» к выходным каскадам усиления и там преобразуется в уровень напряжения на выходе микросхемы.

У матрицы же, состоящей из многих видеострок, заряд из выходных элементов каждой строки оказывается в ячейке ещё одного сдвигового устройства, устроенного обычно точно таким же образом, но работающего на более высокой частоте сдвига.
Для использования ПЗС в качестве светочувствительного устройства часть электродов изготавливается прозрачной.

Прибор с зарядовой связью был изобретён в 1969 году Уиллардом Бойлом и Джорджем Смитом в Лабораториях Белла (AT&T Bell Labs). Лаборатории работали над видеотелефонией (picture phone и развитием «полупроводниковой пузырьковой памяти» (semiconductor bubble memory). Объединив эти два направления, Бойл и Смит занялись тем, что они назвали их «устройствами с зарядовыми пузырьками». Смысл проекта состоял в перемещении заряда по поверхности полупроводника. Так как приборы с зарядовой связью начали свою жизнь как устройства памяти, можно было только поместить заряд во входной регистр устройства. Но стало ясно, что прибор способен получить заряд благодаря фотоэлектрическому эффекту, то есть могут создаваться изображения при помощи электронов.

В 1970 году исследователи Bell Labs научились фиксировать изображения с помощью ПЗС-линеек (в них воспринимающие свет элементы расположены в одну или несколько линий). Таким образом впервые был создан фотоэлектрический прибор с зарядовой связью.

Впоследствии под руководством Кадзуо Ивама (Kazuo Iwama) компания Sony стала активно заниматься ПЗС, вложив в это крупные средства, и сумела наладить массовое производство ПЗС для своих видеокамер. Ивама умер в августе 1982. Микросхема ПЗС была установлена на его надгробной плите для увековечения его вклада.

С 1975 года начинается активное внедрение телевизионных ПЗС-матриц. А в 1989 году они применялись уже почти в 97 % всех телекамер.

В январе 2006 года за работы над ПЗС У.Бойл и Дж. Смит были удостоены награды Национальной Инженерной Академии США (англ.). В октябре 2009 года каждому «досталось» по четверти Нобелевской премии по физике.

Итог

Любой оптический датчик нуждается в системе, на которую будет работать. Приобретая прибор, в первую очередь стоит озаботиться, с чем он будет работать. Что за система будет обрабатывать его сигналы, как это будет происходить, и что конкретно требуется от него. Обладая достаточно четкими пониманиями всего этого устройства можно использовать повсеместно для собственных нужд.

В современном мире всё чаще пользуются популярностью модификации старых предметов и устройств на новый лад благодаря использованию оптики и лазеров. Такой же популярностью пользуется и робототехника. Соединяя оптическую систему с реле и сложными процессорами, вы можете позволить себе спроектировать настоящего робота или машину на полностью автоматическом управлении.

Благодаря датчикам и подручным средствам есть возможность создать собственную сигнализацию в загородный дом. Спроектировать систему полива, работы насоса, включения уличного освещения. Можно превратить обычную дачу в сказочное место, при помощи одних только оптических устройств и собственной смекалки. Применяемость аппарата повсеместна и не ограничена ничем.

В качестве совета можно только добавить – серьезно относитесь к чтению паспортов устройств, при необходимости обращайтесь к службе технической поддержки для решения своих задач проектирования. А также вам, вероятно, понадобятся знания или специалист по программированию систем.

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
Добавить комментарий