Fotoelektrický parkovací senzor
|
Trenčianska Univerzita Alexandra Dubčeka v Trenčíne
Fakulta Mechatroniky |
|
Fotoelektrický parkovací senzor Bakalárska práca |
| Autor: | Jozef Janega |
| Pedagogický vedúci: | Ing. Zdenko Figura, CSc. |
| Študijný odbor: | Mechatronika |
| Akademický rok | 2009/2010
|
| 1. | Prehlad métod merania vzdialenosti |
| 2. | Triangulacná metóda merania vzdialenosti |
| 3. | Návrh a realizácia fotoelektrického parkovacieho senzora
|
| Abstrakt
Odvetvie zaoberajúce sa senzorickými systémami predstavuje v súcasnosti velmi dôležitú súcast elektroniky. Prostredníctvom senzorov vykonávame zber informácií pre nespocetné množstvo aplikácií, akými sú napríklad riadiace jednotky v automobiloch, riadenie výrobných liniek, a mnohé dalšie. V prenesenom význame ide vlastne takpovediac o zmysly takýchto elektronicky vyhodnocovaných ci riadených systémov. Táto práca sa zaoberá problematikou senzorov pre snímanie vzdialenosti. Ci už sú to senzory pracujúce na ultrazvukovom, radarovom, ci optickom princípe, vždy nachádzajú obrovské uplatnenie v priemysle, potravinárstve ale aj v mnohých iných odvetviach. Práca opisuje použitie fotoelektrického optického senzora pre meranie vzdialenosti vozidla od zadnej steny pri cúvaní. Dôležitou castou práce je algoritmus spracovania a vyhodnotenia výstupnej veliciny senzora. Výstupná velicina senzora je spracovávaná a vyhodnocovaná prostredníctvom mikrokontrolera Cypress. Práca je riešená tak, aby jej praktická cast v konecnom dôsledku bola použitá ako vyucovacia pomôcka pre predmety zaoberajúce sa problematikou mikrokontrolerov a ich využitia. |
| Abstract
The industry dealing with sensor systems is now a very important part of electronics. Trough sensors we perform the collection of information for numerous applications such as control units in vehicles, management of production lines and many others. In the figurative sense it is the sense of such electronically controlled or managed systems. This work deals with sensors for sensing the distance. Whether the sensors are working on ultrasonic, radar or optical principles, they always find great application in industry, food industry and also in many other industries. This thesis describes the use of photoelectric optical sensor for measuring the distance from the rear of the vehicle in reverse. The important part is the algorithm of processing and evaluation of sensor output values. Sensor output value is processed and evaluated by Cypress microcontroller. The work is designed so that the practical part of the final result could be used as a teaching aid for courses dealing with the issue of microcontrollers and their use. |
Obsah
Úvod
Vývoj mikroelektroniky v súcasnosti zasahuje do bežného i pracovného života ludí, ci už v domácnostiach, priemysle, medicíne, doprave a v mnohých odvetviach. Jednou z dôležitých disciplín, ktorá je v interakcii s mikroelektronikou je automatizácia. Dlhodobým trendom pri riadení rôznych procesov je náhrada ľudského faktoru elektronickým zariadením. Dôležitou súcastou elektronických zariadení, ktoré spracovávajú alebo riadia neelektrické veliciny, sú senzory. Práve fotoelektrické senzory patria medzi najpoužívanejšie, vzhľadom na ich využitie v nespocetnom množstve aplikácií. Cieľom tejto práce je navrhnutie meracieho systému, s využitím fotoelektrického senzora, na meranie vzdialeností vozidla od objektu pri cúvaní a realizácia tohto meracieho systému ako vyučovacej pomôcky pre študentov mechatroniky v predmetoch zaoberajúcich sa senzorickými systémami a konfigurovatelnými mikročipmi.
Prehlad métod merania vzdialenosti
Ultrazvukové senzory
Pojem ultrazvuk označuje akustické vlny, ktorých frekvenčný rozsah sa pohybuje za hranicou počutelnosti ľudského sluchu, to znamená za frekvenciou viac ako 20 kHz. Z fyzikálneho hľadiska zvuk vzniká chvením hmoty, toto chvenie sa prenáša na hmotné častice prostredia v ktorom vzniká, často krát napríklad vo vzduchu. Nevýhodou ultrazvuku oproti elektromagnetickému vlneniu je už spomínaná možnosť šírenia vlny len v hmotnom prostredí, to znamená že ultrazvukovú vlnu nemožno šíriť vo vzduchoprázdne [1]. Rozoznávame tieto typy ultrazvukových vĺn:
- priestorové (môžu byt priečne alebo pozdĺžne),
- povrchové (Povrchové Akustické Vlny = PAV, môžu byt priečne alebo pozdĺžne).
|
[math]z=\frac{p}{v}=\rho*c[/math] |
(1.1) |
- p – Akustický tlak [Pa]
- v – Akustická rýchlosť [m/s]
- ρ – Merná hmotnosť [kg/m^3]
- c – Rýchlosť šírenia [m/s]
Ultrazvukové senzory využívajú dva princípy merania. V jednom prípade sa meria doba priechodu ultrazvukovej vlny od vysielača, cez odraz od rozhrania dvoch prostredí späť k prijímaču a z nameranej doby sa pri známej rýchlosti šírenia ultrazvuku v danom prostredí vypočíta vzdialenosť. Táto metóda sa využíva k spojitému meraniu vzdialeností. V druhom prípade sa vyhodnocuje útlm ultrazvukových vĺn v závislosti od zloženia prostredia, ktorým ultrazvuk prechádza. Táto metóda sa využíva k limitnému meraniu vzdialenosti. Meracie zariadenie tvorí generátor a vysielač ultrazvukového signálu, prijímač ultrazvuku so zosilňovačom signálu a elektronické vyhodnocovacie zariadenie.
Každá ultrazvuková metóda merania vo všeobecnosti využíva známu hodnotu šírenia zvuku v danom prostredí. Spôsob vyžarovania ich rozdeľuje na kontinuálne alebo impulzné metódy. Kontinuálne metódy využívajú nepretržité vysielanie ultrazvukových vĺn. Impulzné metódy naopak vysielajú iba v krátkom časovom okamihu. Podľa typu detekcie sa dá hovoriť o detekcii priamej vlny alebo odrazenej [2]. Vysielač a prijímač ultrazvukových impulzov tvoria konštrukčný celok. Akustické meniče môžu mať rôzne tvary aktívnych plôch, ktoré sa používajú pre snímanie rôzneho počtu súradníc:
- rovinný typ akustického meniča (vhodný pre snímanie iba jednej súradnice v osi x),
- valcový typ (vhodný pre snímanie súradnice x a nutný pre snímanie dvoch súradníc x a y),
- guľový typ (vhodný pre snímanie súradnice x, súradníc x a y, nutný pre snímanie troch súradníc x,y,z) [1].
Ako vysielače a prijímače ultrazvuku sa najčastejšie používajú piezokeramické alebo magnetostrikčné meniče. Piezokeramický menič je tvorený piezoelektrickými kryštálmi, ktorých hlavnou vlastnosťou je, že pri privedení napájacieho napätia menia svoje geometrické rozmery, vzniká v nich premena elektrickej energie na mechanickú. Pri opačnom jave pôsobením vonkajšej sily vzniká merateľné napätie. Pracuje sa s ultrazvukom s frekvenciou od 20 do 50 kHz. Funkciu celého zariadenia riadi generátor impulzov. Generátor impulzov vyšle v časovom okamihu niekoľko impulzov (krátku dávku = signál), ktoré sa šíria daným prostredím rýchlosťou zvuku. Ak narazí táto dávka na nejaký predmet, časť vlnenia sa odrazí a dôjde počas doby návratu zase naspäť k senzoru. Odozva ktorá sa vráti v čase t1 môže byť detekovaná buď tým istým meničom alebo druhým samostatným meničom vo funkcií prijímača. Tento prijatý signál je ďalej zosilnený pre ďalšie spracovanie. Vyhodnocovacia elektronika prostredníctvom implementovaného algoritmu vyhodnocuje vzdialenosť meraného predmetu od senzora. Čas odozvy je vyhodnotený takým spôsobom, že v čase vyslania signálu t0 sa meranie času spustí a v čase príjmu vyslaného signálu t1 sa meranie zastaví.
Ak sa využíva merací systém s jedným meničom hovoríme o systéme jednoduchom. Ak sa využívajú pre vysielanie a príjem dva samostatné meniče hovorí sa o systéme dvojitom. Nevýhodou jednoduchého systému oproti dvojitému je tzv. mŕtvy čas, doba počas ktorej vysielač po vyslaní ultrazvukovej vlny dokmitáva pokým nie je hodnota prijatej odozvy väčšia než amplitúda doznievajúceho meniča aby mohol fungovať v režime prijímača ultrazvukovej vlny. Následok tzv. mŕtveho času pri jednoduchých systémoch je nefunkčné pásmo tesne pri senzore, ktoré sa nazýva mŕtva zóna, v tomto pásme je fyzikálne nemožná detekcia odozvy signálu. Doba doznenia je ovplyvniteľná rôznymi faktormi, niektoré z nich sú napríklad celková kmitajúca hmota, vnútorné tlmenie pre zrušenie akustickej väzby a iné. Mŕtva zóna pri meničoch s dosahom 1m je asi 20 cm, pri šiestich metroch asi 80cm, časovo to odpovedá dobe 1ms prípadne 5ms. Mŕtva zóna sa výrazne zníži použitím dvojitého systému merania [1].
| Materiál | ρ | [math]Z_L[/math] | [math]Z_T[/math] | [math]c_L[/math] | [math]c_T[/math] |
|---|---|---|---|---|---|
| Vzduch | [math]1.3*10^{-3}[/math] | [math]4.3.10^{-4}[/math] | - | 331 | - |
| Voda | 1,0 | 1,5 | - | 1468 | - |
| Motorový olej | 0,9 | 1,5 | - | 1740 | - |
| Plexisklo | 1,2 | 3,2 | 1,7 | 2730 | 1430 |
| Oceľ | 7,8 | 46,5 | 25,4 | 5941 | 3251 |
| Hliník | 2,8 | 17,3 | 8,2 | 6240 | 3040 |
Legenda:
- ρ- merná hmotnosť [[math]g/cm^3[/math]],
- [math]Z_L[/math] – charakteristická impedancia [[math]10^6[/math] [math]kg/s/m^2[/math]], pozdĺžna,
- [math]Z_T[/math] – charakteristická impedancia [[math]10^6[/math] [math]kg/s/m^2[/math]], priečna,
- [math]c_L[/math] – rýchlosť šírenia zvuku [m/s], pozdĺžna,
- [math]c_T[/math] – rýchlosť šírenia zvuku [m/s], priečna [1],
Radarové senzory
Radarové senzory pracujú na podobnom princípe ako ultrazvukové, ale pri využívajú však šírenie elektromagnetického vlnenia (mikrovlnné žiarenie), ktoré sa šíri prostredím rýchlosťou svetla. Za mikrovlnné žiarenie považujeme vlnenie o frekvencii väčšej než 2 GHz. Radarové senzory využívajú dve meracie metódy, a to časovú metódu (pulznú) a frekvenčnú metódu (s rozkmitaným spojitým signálom).
Pulzný radar pracuje s krátkymi mikrovlnnými impulzmi s frekvenciou napr. 5,8 MHz a s dobou trvania asi 1 ns. Tie sú smerované do priestoru prostredníctvom antény. Na rozhraní dvoch prostredí (na hladine alebo na prekážke) sa vlna čiastočne odrazí naspäť k vysielaču a čiastočne prechádza do druhého prostredia. Meria sa doba potrebná k priechodu elektromagnetických vĺn z vysielača k rozhraniu dvoch prostredí a späť k prijímaču. Z doby uplynutej medzi vysielaním a prijatím impulzu sa podľa daných vzťahov stanovuje vzdialenosť rozhrania dvoch prostredí (napr. hladiny, prekážky). Ďalší vysielaný impulz nasleduje po prestávke trvajúcej asi 300 ns. V dobe prestávky je vysielač prepnutý do funkcie prijímača. Jedna perióda merania trvá menej než [math]10^{-6}[/math] s. Technická realizácia tohto princípu naráža na problémy merania veľmi krátkych úsekov času. Ak má byť vzdialenosť meraná s chybou menšou než 1 mm, je potrebné merať čas s rozlíšením [math]6*10^{-12}[/math] s.
Vzhľadom k veľkým požiadavkám na presnosť merania času pri pulznom radare je vhodnejším riešením radar s rozkmitaným spojitým signálom, využívajúci frekvenčnú metódu (Frequency Modulated Continuous Wave – FMCW), ktorá je založená na vysielaní spojitého signálu s premenlivou frekvenciou. Vysielaný signál je obvykle modulovaný pílovito a plynule mení svoju frekvenciu od [math]f_{min}[/math] do [math]f_{max}[/math]. Zo známej rýchlosti prelaďovania a hodnôt frekvencií vysielaného a prijímaného signálu meraných v čase t1 je možné vypočítať vzdialenosť zodpovedajúcu polohe rozhrania dvoch prostredí. Prijímaný signál je zmiešavaný s vysielaným a hodnota medzifrekvenčného kmitočtu je mierou vzdialenosti cieľa. Zo zisteného rozdielu frekvencií [math]∆f = f_1 – f_0[/math] sa stanoví odpovedajúci rozdiel časov [math]∆t = t_1 – t_0[/math] a vypočíta sa vzdialenosť cieľa (rozhrania dvoch prostredí). Hlavnou prednosťou frekvenčnej metódy je, že rozdiel frekvencií (rádovo kHz), a tiež i polohu cieľa, je možné stanoviť veľmi presne (s chybou až ± 1 mm) [8].
Na odraz mikrovlnného žiarenia má veľký vplyv permitivita meraného objektu. Pomerná permitivita εr je bezrozmerné číslo, ktoré charakterizuje vlastnosti látky v elektrickom poli. Pre vákuum [math]\epsilon_r =1[/math], pri plynoch [math]\epsilon_r \gt 1[/math], voda má [math]\epsilon_r = 80[/math]. Kovové objekty odrazia takmer celé vlnenie. V prípade dielektrickej kvapaliny s permitivitou [math]\epsilon_r = 3.5[/math] sa odrazí len asi 10%. Hodnota [math]\epsilon_r[/math] klesá s rastúcou frekvenciou mikrovlnného žiarenia, z toho vyplýva že voľba frekvencie je veľmi dôležitá. Väčšia frekvencia znamená kratšiu vlnovú dĺžku, a robí tak senzor citlivejším voči negatívnym vplyvom, ktoré pohlcujú vlnenie. Pri prechode mikrovlnného žiarenia atmosférou je nutné spomenúť, že výkon exponenciálne so vzdialenosťou od antény vysielača klesá. Napr. pri 30m vzniká útlm 1 dB.
|
[math]L=c\frac{t}{2}[/math] |
(1.2) |
- L – meraná vzdialenosť
- c – rýchlosť šírenia mikrovĺn v danom prostredí
- t – doba od vyslania mikrovlny k prijatiu
Inteligentný radarový snímač tvorí anténa vysielača a prijímača, potrebné elektronické obvody riadené mikroprocesorom. Pre vysielanie aj príjem sa často využíva jedna anténa. Antény sa líšia svojím tvarom a prierezom. Najpoužívanejšie sú s pravouhlým prierezom alebo kruhovým.[8].
Optické senzory
Optické senzory, tiež nazývané presnejšie optoelektronické alebo fotoelektrické, v súčasnosti predstavujú z pohľadu aplikačných možností najviac používané senzory v automatizácii. Sú používané najmä v jednoduchých binárnych aplikáciách a meraniach, ale aj v náročných inšpekčných úlohách na konci procesu. Typických aplikácii je veľmi mnoho , tu sú uvedené niektoré:
- Dopravníkové úlohy:
- detekcia prítomnosti,
- detekcia značiek,
- kontrola plnenia /obsahu,
- kontrola polohy /veľkosti,
- kontrola chýbajúcich častí.
- Regulácia polohy navíjaných pásov
- Sledovanie rozmerov na veľké vzdialenosti
- Sledovanie hladiny
- Inšpekčné úlohy s rozlíšením farby
Prednosťou optoelektrických senzorov sú stále menšie rozmery a ich stúpajúca výkonnosť. Používajú sa tam, kde je potrebná väčšia spínacia vzdialenosť. Ďalšia výhoda je najmä necitlivosť voči rušivým elektromagnetickým poliam. Nevýhodou je ale menšia odolnosť voči vlhkosti, znečisteniu a infražiareniu [1].
Fyzikálny princíp
Základnou vlastnosťou fotoelektrických prvkov je premena elektrického prúdu na elektromagnetické vlnenie (svetlo) a opačne. Pod pojmom svetlo rozumieme elektromagnetické spektrum od ultrafialovej oblasti (λ = 0,3 μm) cez oblasť viditeľného svetla (0,38 < λ < 0,78 μm) až do infračervenej oblasti (λ = 1,2 μm). V minulosti sa v optických senzoroch ako vysielacie prvky využívali prevažne žiarovky a ako prijímacie prvky fotobunky alebo fotorezistory. Mali však veľké množstvo nepriaznivých vlastností. Napríklad vplyvom tepelnej zotrvačnosti vlákna žiarovky nemohlo byť vysielané modulované svetlo a tým sa len veľmi ťažko dalo rozlíšiť užitočné svetlo od rušivého. Dnes sú využívané luminiscenčné diódy (LED) a polovodičové laserové diódy. Ako prijímacie prvky sa používajú fotodiódy, fototranzistory a diódy s laterálnym efektom (PSD). Princíp činnosti fotoelektrických prvkov je založený na využití vnútorného fotoelektrického javu. Pri dopade žiarenia s danou vlnovou dĺžkou na polovodičový materiál, dochádza k zmene väzieb atómov, vznikajú voľné nosiče náboja elektrónov a dier. V oblasti bez prechodu PN dochádza k zväčšeniu vodivosti. Ak dopadá žiarenie do oblasti prechodu PN, vzniká medzi časťami P a N tzv. hradlové napätie [1].
Vysielacie prvky
Pojem vysielacie prvky v optickej technike zahŕňa všetky prvky, ktoré emitujú teda vysielajú svetelný signál. Najviac využívané sú v súčasnosti prvky na báze polovodičov akými sú LED (z angl. light emitting diode) a laserové polovodičové diódy.
Luminiscenčné diódy
Luminiscenčné diódy LED (z angl. light emitting diode) sú v podstate polovodičové prvky, ktoré majú jeden prechod PN. Pripojením napätia v priepustnom smere priechodu a z toho vyplývajúceho prúdu ID dochádza k odtrhávaniu elektrónov do pásma P a dier do pásma N.
Prechodom PN nepreteká prúd a je v teplotnej rovnováhe. Aby sa pri tomto vstrekovaní dostal elektrón z energetickej úrovne valenčného pásma E1 na vyššiu energetickú úroveň vodivostného pásma E2, musí sa mu dodať minimálna energia:
|
[math]E_g=E_2-E_1[/math] |
(1.3) |
Pri opačnom procese, tzv. rekombinácii elektrónu s dierou, sa táto energia uvoľňuje vo forme tepla alebo svetelných fotónov:
|
[math]E_g=h*f[/math] |
(1.4) |
- h – Planckova konštanta [math]h= 6,62606.10^{-34}[/math] [J.s]
- f – kmitočet vysielaného svetla
Vysoká účinnosť luminiscenčných diód sa dosiahla objavením materiálu z prevažne priamou rekombináciou. Typickým predstaviteľom je GaAs. Frekvencia f alebo vlnová dĺžka λ emitovaných fotónov sa dajú spočítať z rovnice:
|
[math]f=\frac{E_g}{h}[/math] |
(1.5) |
Pre prvok GaAs s Eg = 1,43 eV a pri rýchlosti svetla c vo vákuu je vlnová dĺžka λ0=0.9 μm. Takáto vlnová dĺžka spadá do infračervenej oblasti. GaAs je teda vhodný materiál pre infradiódy, ktoré majú vysokú kvantovú účinnosť. Vnútorná kvantová úroveň η je závislá na teplote. Vyžarujúca rekombinácia vzniká v kryštále vnútorný vyžarovaný výkon Φ.Ten je približne úmerný pretekajúcemu prúdu ID. Pri vyšších prúdoch vplyvom oteplenia vyžarovaný výkon klesá , rovnako to platí aj pre kvantovú účinnosť.
Pri dodržaní rezervy k medznej hodnote výkonových strát a k teplote je využívaná dióda v spínacom režime. Mnohonásobne sa tak zvýši okamžitý vyžiarený výkon. Pre každú diódu je v katalógu uvedená šírka impulzu a doba periódy. Veľmi vhodné pre impulzný režim sú infradiódy, s typickou dobou impulzu v rozpätí 400 ns až 1μs.
Pre návrh optických parametrov sú dôležité ďalšie rádiometrické veličiny: Žiarivosť I je definovaná ako pomer výkonu dΦ a priestorového uhla dΩ, jedná sa o uhol v ktorom je výkon vyžarovaný. Hustota vyžarovania L je odvodená ako pomer žiarivosti a plošného elementu dS pri smere, ktorý je daný odchýlkou od kolmice ε.
|
[math]I=\frac{d\phi}{d\Omega}[/math] |
(1.6) |
|
[math]I=\frac{d I}{d S}[/math] |
(1.7) |
Priestorový uhol Ω sa vytvorí vsadením šošoviek, a tak môže byť vyžiarený z kryštálu výkon Φ. Pri vysielacích prvkov využívame prevedenie s rovinným sklom a prevedenie s optickou šošovkou. Prevedenie s rovinným zrkadlom má veľký vyžarovací uhol a menšiu žiarivosť. V druhom prípade s optickými šošovkami je žiarivosť relatívne veľká a vyžarovací uhol je malý[1].
Laserové diódy
Laserové polovodičové prvky využívajú vysoko dotovaný polovodičový priechod PN na báze GaAs. Podobne ako u luminiscenčných diód je vstrekovaním nosičov náboja zabezpečený predpoklad pre vyžarujúcu rekombináciu. Ďalšie dva dôležité javy sú indukovaná emisia a optická rezonancia v polovodičovom kryštále. Tieto dve vlastnosti dávajú laseru typickú vlastnosť emitovať koherentné svetlo. Pod pojmom koherencia sa rozumie že jednotlivé kvantá svetla majú stále rovnakú frekvenciu a fázu.
Pri laserových diódach existuje zosilňovací jav, kde sa i pri malom primárnom žiarení indukuje veľké sekundárne žiarenie. Pre udržanie tohto procesu je potrebná optická spätná väzba. Túto spätnú väzbu vytvára optický rezonátor, ktorý má naladenú rovnakú frekvenciu ako frekvencia prechodu. V polovodičových laseroch je rezonátor vytvorený paralelnými čelnými plochami priechodu PN kryštálu GaAs. Reflexia na týchto plochách so štrbinou je asi 30% a je tak dostatočne veľká, aby vznikla žiadaná spätná väzba.
V porovnaní s luminiscenčnými diódami je emisné spektrum laseru vplyvom indukovanej emisie v rezonátore veľmi úzke. Pri diódach je spektrum spojité. Pri laseroch pozostáva z diskrétnych čiar harmonickej základnej vlny.
.png)
Ak je prúd prechádzajúci laserom malý, prevláda spontánna emisia a laser sa chová ako luminiscenčná dióda. Až keď prúd prekročí určitú prahovú hodnotu Ip, je zosilňovací efekt rezonátora väčší ako absorpcia a vzniká tak indukovaná emisia.. V praxi je potrebné obísť oblasť spontánnej emisie, používa sa pri modulácií laseru pracovný bod charakteristiky, ktorý je tesne nad prahovou hodnotou.
Prahový prúd pri jednoduchých laserových PN diód je závislý na tretej mocnine teploty a dosahuje vysokých hodnôt už pri izbovej teplote. S tým je spojené vysoké ohrievanie kryštálu, takže heterogénne štruktúry môžu byť použité len v pulznom režime alebo za zvláštnych podmienok. Špeciálne riešené sú lasery s dvojitou heterogénnou štruktúrou, ktoré dovoľujú trvalú prevádzku pri izbovej teplote. Zostava je tvorená dvomi alebo tromi polovodičmi. Polovodičové lasery sú veľmi citlivé na kolísanie teplôt. Prahový prúd má typický teplotný koeficient 1,5%/K. Kritický stav sa prejavuje najmä pri klesajúcej teplote. Charakteristika laserovej diódy je veľmi strmá a pracovný bod sa tak dostane do oblasti, kde je príkon nadlimitný a dôjde ku zničeniu diódy. Preto je veľmi dôležité teplotu v mieste diódy regulovať. Jednou z možností regulácie je regulovanie výstupného výkonu na konštantnú hodnotu. Realizuje sa zaintegrovaním teplotného čidla, tzv. monitorovacej diódy.
Laserová diódy majú hodnoty doby nábehu a zostupu od 1 do 5 ns, čo je pre vysokofrekvenčnú moduláciu veľmi vhodné. Polovodičový laser ma veľmi malú výstupnú medzeru, to spôsobuje silný ohyb svetla pri výstupe z aktívnej zóny. U diódy platí, že čím menší bude priemer zobrazeného bodu, tým lepšie bude zobrazenie. Z toho vyplýva uplatnenie laserovej diódy v porovnaní z luminiscenčnou diódou. Pre vytvorenie tenkého paralelného lúča stačí predradenie vhodnej optiky – kolimátora [1].
Prijímacie prvky
Pod pojmom prijímacie prvky sa v optickej senzorike označujú hlavne polovodičové fotodetektory. Fotodetektory sú prvky ktoré merajú fotónový tok alebo optický výkon tak, že prevádzajú absorbované fotóny to merateľnej formy. Najčastejšie používané prvky sú fotodiódy, fototranzistory a matice vystavané z týchto prvkov.
Fotodiódy PN a PIN
Fotodiódy prevádzajú prijatý fotónový tok na elektrický prúd. U luminiscenčnej diódy vyvoláva vstrekovanie nosičov náboja v priechode PN vyžarujúcu rekombináciu tak, pri fotodióde sa jedná o práve opačný dej. Dopadajúce fotóny s energiou, ktorá musí byť minimálne tak veľká ako rozdiel energií medzi vodivostným a valenčným pásmom, spôsobujú v blízkosti priechodu PN vytváranie párov nosičov náboja elektrón-diera. Existujúce elektrické pole z difúznym napätím, ktoré vzniklo na základe rôznych koncentrácií nosičov v oblasti PN, spôsobuje oddeľovanie a presun nosičov elektrického náboja. Diery smerujú do oblasti P a elektróny do oblasti N. V závernom smere tečie aj bez pripojenia napätia prúd elektrónov, tzv. driftový prúd.
Rozoznávame viaceré druhy vnútorného usporiadania diód. Vnútorným usporiadaním sa ovplyvňuje druh pretekajúceho prúdu a dynamické chovanie priechodu. PN diódy majú veľmi úzku priestorovú zónu náboja. Nosiče náboja sa vytvárajú najmä mimo túto zónu. Z toho vyplýva prevaha difúzneho prúdu. Pre PN diódy je charakteristický nízky medzný kmitočet a dlhá doba nábehu prúdu. Prúd ktorý vzniká bez osvietenia svetelným signálom je veľmi malý preto môžeme zanedbať šumovú zložku. Doba nábehu a zostupu prúdu je 1 až 3 μs a kapacita priechodu od 100pF do 1nF.
PIN dióda je tvorená takým priechodom, ktorý má vrstvu s vlastnou vodivosťou uzatvorenú medzi vrstvami P a N. Z toho vyplýva prevaha driftových prúdov. Zároveň väčšia rýchlosť PIN diódy, vyšší medzný kmitočet a kratšia doba nábehu prúdu. Ďalšou dôležitou vlastnosťou je širšia zóna priestorového náboja. Čo spôsobuje zvýšenie kapacity priechodu v závernom smere. V spojitosti so zamýšľanou záťažou predstavuje PIN dióda dolnofrekvenčnú priepusť [1].
Účinnosť fotodiód je daná ich citlivosťou S:
|
[math]S=\eta\frac{e}{hf}[/math] |
(1.8) |
- h .f – energia vstupujúceho fotónu
- [math]\eta[/math] – vnútorná kvantová účinnosť
Pre dodatočnú závislosť η na vlnovej dĺžke fotónu je potrebné uvažovať so spektrálnou krivkou citlivosti:
Prúd I je veľmi presne lineárne závislý na dopadajúcom optickom výkone Φ .Pre vlnovú dĺžku λ platí:
|
[math]I=S(\lambda)\Phi[/math] |
(1.8) |
Fotodiódy sa zapojujú so zosilňovačom buď k obidvom vstupom, alebo v závernom smere s napäťovým predopnutím.
Obidve zapojenia sú charakteristické tým, že je veľmi dobrá linearita medzi výkonom a výsledným fotoprúdom. V zapojení fotodiódy v priepustnom smere sa dôsledkom nízkej kapacity priechodu dajú dosiahnuť veľmi krátke spínacie časy. Nevýhodou však je že s rastúcim predopnutím stúpa prúd vznikajúci bez ožiarenia. Z toho vyplýva nárast úrovne šumu [1].
Fotodiódy sa dajú rozdeliť do dvoch skupín:
- Diódy s rovinným okienkom. Sú vhodné pre meranie intenzity svetla. Predradením optiky sa dosiahne definovanej a úzkej charakteristiky.
- Diódy so zabudovanou šošovkou. Sú charakteristické relatívne úzkou smerovou charakteristikou. Využívajú sa najmä do reflexných senzorov kratšieho a stredného dosahu ako vstupy svetlovodičov.
Fototranzistory
Fototranzistor je v podstate fotodióda zapojená s fototranzistorom ako zosilňovačom fotónového prúdu. Dynamické správanie fototranzistora je horšie ako u diódy. Doba nábehu a zostupu je 20μs. Hlavná príčina je v zosilňovacom mechanizme, pretože kapacita priechodu je β krát väčšia.
Nevýhodou fototranzistora je nepriaznivá teplotná závislosť a nedokonalá linearita medzi dopadajúcim svetelným výkonom Φ a plynúcim prúdom fotónov. V časti charakteristiky sa odlišuje od priamky až 20 %. Teplotná závislosť sa dá kompenzovať zapojením infradiódy s fototranzistorom [1].
Líniový optoelektronický prvok PSD
Jedna z variánt fotodiódy je tzv. dióda s laterálnym efektom. Označovaná aj PSD (Position Sensitive Detector). Jedná sa o variantu diódy PIN.
Princíp spočíva v tom že PSD má svetlocitlivú plochu v tvare pásika, preto sa nazýva líniový. PSD má popri odpore priechodu tiež odpor, ktorý je na neho kolmý. Tento odpor nazývame osvetľovací odpor, ktorý nameriame medzi svorkami [math]k_1[/math] a [math]k_2[/math]. Pri osvetlení bodovým svetlom vznikne v mieste osvetlenia prúd [math]I_0[/math]. Odpor plochy sa rozdelí na dva odpory, ktoré je možné odobrať zo svoriek [math]k_1[/math] a [math]k_2[/math] . Zo závislosti svetelného bodu a oboch vzniknutých prúdov sa dá vypočítať poloha svetelného bodu.
|
[math]x_1=\frac{I_1}{I_1+I_2}[/math] |
(1.10) |
Nepresnosť výpočtu môže nastať pri okrajoch plochy, kde má hodnota odporu odchýlku od linearity. Tento optický prvok na báze polovodičov sa používa najmä v náročnejších úlohách pri meracích optických senzoroch [1]. Využíva sa tu triangulačná metóda merania, ktorá je presnejšie vysvetlená v kapitole číslo 2 s názvom Triangulačná metóda merania vzdialenosti.
Maticové optoprvky
Maticové optoprvky v súčasnosti patria medzi základné elektronické súčiastky využívané v modernej mikroelektronike. Sú to vlastne dvojrozmerné diskrétne formy optoprvkov – matice. Ich štruktúru tvoria veľké počty polovodičových fotodetektorov, prvkov obrazu. Nazývané sú aj slovom pixely. Ich hlavnou časťou sú viazané obvody (CCD), slúžiace ako načítavacie štruktúry. Tieto periodicky načítavajú náboje naakumulované v každom pixely. Vytvára sa tak dátový tok elektronických dát predstavujúcich obraz. Táto technika sa využíva najmä v kamerových systémoch [1].
Metódy merania vzdialenosti optickými snímačmi
Najznámejšia a historicky najstaršia metóda merania vzdialenosti je triangulačná metóda, známa predovšetkým z geodézie. V elektronických triangulačných senzoroch, ale i v iných prístrojoch, ako sú napr. kamery s automatickým zaostrovaním, sú zabudované systémy, ktoré prevádzajú vonkajšiu trianguláciu na optoelektronickú súčiastku. Zmerané hodnoty potom spracuje mikropočítač alebo u jednoduchých senzorov analógový obvod .
Vždy sa jedná o reflexiu úzkeho svetelného lúča od snímaného objektu. Tento odraz môže byť buď presné spätné vrátenie lúča alebo silno rozptýlený odraz do všetkých smerov – difúzia. V prvom prípade by muselo byť objektom zrkadlo a to je v priemyselných aplikáciách celkom výnimočné prevedenie. Takmer u všetkých prirodzených a snímaných objektoch je možné hovoriť o difúznej reflexii svetelného lúča. Keď objekt odrazí svetelný lúč difúziou je následné meranie vždy nezávislé na orientácii objektu, čo je veľká výhoda triangulačnej metódy. Veľmi úzke svetelné lúče sa vytvárajú polovodičovými laserovými diódami alebo pri požiadavke veľkého svetelného výkonu hélium – neónovým laserom. Použitie konvenčných svietivých diód prichádza do úvahy len pre prípady, kde sa vystačí s malým svetelným výkonom. Výhodou je nižšia cena a absolútna bezpečnosť zraku. Veľkou nevýhodou LED je relatívne veľká emitujúca plocha čipu, ktorá silne obmedzuje možnosť zaostrenia lúča.
Z optoelektronickej triangulácie je jasné, že stačí z difúzne odrazených lúčov získať len jeden, ktorý umožní meranie. Jedna z najjednoduchších možností riešenia je clona s kruhovým otvorom. Často sa využíva i šošovka. V tomto prípade platí, že stredný lúč šošovky zodpovedá meraciemu lúču. Pri optoelektronickej triangulácii sa ako prijímací prvok využíva dvojica fotodiód so spoločnou anódou alebo katódou, hovorí sa jej tiež diferenciálna fotodióda.
Metóda optoelektronickej triangulácie sa z výhodou používa najmä v analógových senzoroch pre meranie vzdialenosti. Pri senzore s optoelektronickou trianguláciou je potrebné, aby prijímač vedel vyjadriť premennú polohu stopy lúča. Všeobecne sú známe dva optoelektronické komponenty, ktoré sa pri tejto metóde využívajú. Prvý je prvok CCD použitý ako senzor polohy, tento však vyžaduje vysoké náklady a využíva sa pri veľmi presných meraniach veľkých vzdialeností. Druhým prvkom je PSD – polohovo citlivý polovodičový prvok. Pri tomto prvku je spracovanie signálu jednoduchšie. Svetelný lúč, ktorý na prvok dopadne, vyvolá prúd fotónov, ktorý sa vetví k obidvom koncom polovodičovej doštičky. Pri rovnakej záťaži na obidvoch koncoch sa z pomeru obidvoch prúdov dá určiť poloha svetelnej stopy. Presnejší popis činnosti PSD bol popísaný v kapitole 1 Prehľad metód merania vzdialenosti, v podkapitole 3.3.3. Líniový optoelektronický prvok PSD. Pre dobré vlastnosti je PSD ideálnym prvkom pre lineárne meranie vzdialenosti optoelektronickou trianguláciou.
Spojitý reflexný diaľkomer je ďalšou možnosťou elektronického merania vzdialenosti. Využíva na určenie vzdialenosti neznámeho objektu odraz svetla od povrchu meraného objektu. Hlavnými časťami sú vysielacia a prijímacia časť. Ako zdroj žiarenia sa využíva LED, pre väčšie vzdialenosti laserová dióda. Vyžarovaný impulz sa odrazí od povrchu meraného objektu a zachytáva ho prijímacia časť (fotodióda). Sníma sa veľkosť odrazeného svetelného toku. Táto veľkosť je závislá
od meranej vzdialenosti, koeficientu odrazu povrchu meraného telesa a v od uhla natočenia povrchu meraného telesa. Veľkou nevýhodou je meranie iba v určitom rozsahu, tzv. aktívnej zóne a neveľmi vysoká presnosť merania [2].
Spojitý reflexný diaľkomer s polopriepustným zrkadlom má teoreticky najväčšiu dĺžku aktívnej zóny.
Koincidenčný diaľkomer je ďalšia možnosť, ktorá má vyššiu presnosť merania. Využíva premenlivú geometrickú optickú dráhu. Pozostáva opäť z vysielacej a prijímacej časti. Zdrojom svetla je tiež LED alebo laserová dióda. Lúč šíriaci sa cez optickú sústavu sa odráža od povrchu meraného objektu. Ďalej prechádza naklápacou šošovkou do prijímacej časti diaľkomera. Táto časť je tvorená fotodiódou. Počas merania otáčame šošovkou dovtedy, kým fotodióda nezaznamená najväčšiu hodnotu dopadajúceho svetelného toku [5].
Vzdialenosť meraného objektu vypočítame zo vzťahu:
|
[math]l=d\tan{\alpha}[/math] |
(1.11) |
- l – neznáma vzdialenosť meraného objektu
- d – optická základňa diaľkomera
- α – uhol natočenia naklápacej šošovky
