Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Agronomická fakulta BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

Transkript

1 Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Agronomická fakulta BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BRNO 2006 Adam Košťál

2 1 Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Agronomická fakulta Moderní optické snímače Bakalářská práce Brno 2006 Vedoucí Bakalářské práce: Vypracoval: Dr. Ing. Radovan Kukla Adam Košťál

3 2 Prohlášení Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma Moderní optické snímače vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém soupisu literatury. Souhlasím, aby práce byla uložena v knihovně Mendelovy zemědělské a lesnické univerzity v Brně a zpřístupněna ke studijním účelům. V Brně, dne Podpis

4 3 Poděkování Děkuji svému vedoucímu bakalářské práce Dr. Ing. Radovanu Kuklovi. za cenné rady, podnětné připomínky a za odborné vedení při zpracování bakalářské práce.

5 4 Anotace I focused in my work on optical taking-offs. I work on detail on basic components which are the sources of radiation, transmission conditions and radiation detectors. In the next part I concentrate on the possible use of particular taking-offs in machine industry. At the end of my work I evaluate advantages and disadvantages of particular optical taking-offs in comparison with others.

6 5 Obsah: 1.Úvod Optoelektronika Povaha světla Elektromagnetické spektrum Šíření světla Základní stavební prvky optických snímačů Zdroje záření LED diody Polovodičové lasery (laserové diody) Helium-neonový laser Žárovky Výbojky Elektroluminiscenční kondenzátory Optické přenosové prostředí Atmosféra pracovního prostředí Optické vlnovody Detektory (čidla) záření Čidla světelného záření Čidla infračerveného záření Světlovodná čidla Optoelektronická a optronová čidla Struktura optických snímačů Fotoelektrické snímače Optické reflexní senzory Optické reflexní závory Společné charakteristické vlastnosti Využití fotoelektrických snímačů Optické vláknové snímače Charakteristické vlastnosti a parametry Využití optických vláknových snímačů Závěr Použitá literatura Seznam příloh

7 6 1. Úvod Optoelektronika je rychle se rozvíjející obor, který využívá přímou přeměnu elektrických signálů na signály optické a přeměnu signálů optických na signály elektrické. Už dávno byly objektem přírodovědného zkoumání účinky světla a záření vůbec na neživou přírodu. Zájem se soustředil na formy projevu a kvantitativní vztahy tohoto vzájemného působení. Z hlediska použití jsou pozoruhodné změny elektrických vlastností, které jsou vyvolané absorbcí záření. Celá oblast sem patřících jevů dostala název fotoelektrika. Na těchto principech zkonstruované a prakticky aplikované fotoelektrické přijímače (snímače, receptory) vykazují závislost svých elektrických parametrů od parametrů záření, které na ně dopadá. Existují však ještě dvě třídy úkazů, při kterých se: - elektrická energie (případně chemická, tepelná, ) mění na viditelné nebo neviditelné záření - vnějšími fyzikálními podmínkami modifikují vlastnosti záření Jevy patřící do všech uvedených tříd souhrnně nazýváme elektrooptickými a jejich zkoumání a využívání tvoří obsah ucelené vědecko-technické disciplíny optoelektroniky.

8 7 2. Optoelektronika Optoelektronika je poměrně mladý obor elektroniky, který se snaží technicky využít elektromagnetických vln světelného záření. Technické využití může být například při: - komunikaci (sdělování) - ukládání informací (záznam) - získávání externích dat (osvětleno, neosvětleno, jak osvětleno) - řízení (robotika, automatizace) Hlavní úlohu při všech těchto jevech hraje světlo. 2.1 Povaha světla Elektromagnetické spektrum Informace o okolním světě nám poskytuje světlo. Světlo je ta část elektromagnetického záření, která působením na lidské oko (oko je receptorem příjemcem- světla) vzbuzuje v něm zrakový vjem Světlo tvoří jen malou část elektromagnetického spektra. Vlnové délky světla leží přibližně v intervalu 400nm (fialové světlo) do 750nm (červené světlo). Elektromagnetické vlnění s vlnovými délkami v tomto intervalu umožňuje lidské oko vnímat jako světlo různých barev. Za červeným okrajem spektra viditelného světla, je široká oblast infračerveného záření, které nevidíme, ale vnímáme ho jako tepelné záření. Vysílají ho všechna tělesa kolem nás, zejména však zahřívaná tělesa, i když nemají tak vysokou teplotu, aby svítila (tj. vysílala viditelné světlo). Infračervené záření proniká vzduchem lépe než viditelné světlo, ale pevné látky, zejména kovové, ho také více pohlcují. Třebaže infračervené záření je samo o sobě neviditelné (člověk nemá receptory, kterými by ho přijímal), existují různá zařízení, která umožňují vidět nebo alespoň fotografovat tělesa, která ho generují. Infračervené záření se využívá v lékařství k ohřevu kůže a podkožních vrstev při léčení některých zánětových onemocnění.

9 8 Za oblastí infračerveného záření je oblast rádiových vln (využitím se zabývá radiotechnika a sdělovací technika) a oblast střídavých proudů (tu se snaží využívat veškerá elektronika vůbec). Technici někdy zjednodušují: Tato část elektromagnetického spektra vzniká v elektrických generátorech. Optoelektronika je pokroková v tom, že se snaží využít doposud z hlediska elektrotechniky- nevyužitou část elektromagnetického záření. Na fialovou stranu viditelné části elektromagnetického spektra navazuje oblast ultrafialového záření. Ultrafialové záření je pro nás neviditelné.jeho působení však pociťujeme, protože má intenzivní fyziologické a chemické účinky. Působí na film více než viditelné záření, vyvolává světélkování (fluorescenci) některých látek, ionizuje plyny, opaluje pokožku, škodlivě působí na sítnici oka. Malé dávky ultrafialového záření však mají na lidsky organismus příznivé, někdy i léčivé účinky. Ultrafialové záření vysílají tělesa zahřátá na vysokou teplotu (několik tisíc stupňů Celsia), například Slunce. Směrem ke kratším vlnovým délkám oblast ultrafialového záření přechází do oblasti rentgenového záření. Rentgenové záření má ještě intenzivnější fyziologické a chemické účinky než záření ultrafialové. Jeho charakteristickou vlastností je pronikavost. Rentgenové záření proniká více nebo méně (v závislosti na hustotě látky a vlnové délce záření) všemi látkami. Tato vlastnost se v široké míře využívá zejména v lékařství, v metalurgii a při výzkumu struktury pevných látek. Rentgenové záření lze generovat v rentgenových lampách (rentgenky). Spektrální citlivost při jednotlivých typech záření je na obr. č Šíření světla V homogenním optickém prostředí se světlo šíří přímočaře. Rychlost světla ve vakuu nezávisí na jeho vlnové délce. Rychlost světla ve vakuu je největší rychlost, která se v nám znám přírodě vyskytuje V látkovém prostředí se světla různých barev, tj. různých vlnových délek, šíří různou rychlostí.červené světlo se šíří v každém látkovém prostředí větší rychlostí než světlo žluté, zelené nebo fialové.

10 9 V optice je každé prostředí charakterizováno fyzikální veličinou absolutní index lomu n o. Absolutní index lomu je podíl rychlosti světla ve vakuu c a rychlost světla v daném prostředí v. c n = [1] v 3. Základní stavební prvky optických snímačů Z nejdůležitějších prvků, které se při konstrukci optoelektronických snímačů používají jsou: - zdroje záření - optické prostředí - detektory záření [2] 3.1. Zdroje záření Zdroje záření využívají fyzikální jev zvaný luminiscence, což je emise záření (světla) látkami,kdy vybuzené nosiče náboje odevzdávají svoji energii ve formě fotonů. Je-li vybuzení dosaženo elektricky, mluvíme o elektroluminiscenci. V polovodičích se toho dosahuje nejčastěji injekcí nosičů náboje na P-N přechodu. Dochází-li přitom pouze ke spontánní emisi, mluvíme o zdrojích nekoherentního záření. Převažuje-li stimulovaná emise, dostáváme zdroje koherentního záření. Nejobvyklejšími zdroji v optické technice jsou: 1. LED diody 2.laserové diody LD 3. Helium-neonový laser 4. Žárovky 5. Výbojky 6. Elekroluminiscenční kondenzátory

11 LED diody Jsou nejvýznamnějším zdrojem nekoherentního záření. Přiložením napětí v propustném směru dojde k injekci elektronů z polovodiče N do P a děr z P do N. Na vzdálenosti difúzní délky většina elektronů a děr rekombinuje. Uvolněná energie se vyzáří ve formě fotonu spontánní emisí. Vlnová délka emitovaného záření závisí na použitém polovodiči a lze ji ovlivnit vhodnou dotací. Příklad konstrukce červené LED diody a jejího zapouzdření je na obr. č. 3.1 [3] Polovodičové lasery (laserové diody) Jsou zdroji koherentního optického záření. Koherentní záření je takové záření, jehož všechny vlny mají stejnou frekvenci, polarizaci a fázi. Princip funkce LD je založen na stimulované emisi fotonů - tzn. uvolnění záření je stimulováno existencí fotonu stejné frekvence, polarizace a fáze jako má emitovaný foton. Aby mohlo ke stimulované emisi dojít, musí být splněny tři podmínky: a) existuje aktivní prostředí s dostatečně velkým zesílením fotonů mechanizmem stimulované emise - dle jeho skupenství mohou být lasery: - plynové - např. Helium-Neonové, CO 2 aj. Buzení aktivního prostředí je prováděno doutnavým výbojem pomocí zdroje vf napětí. - pevnolátkové - např. rubínové nebo neodynové. Zvláštní skupinou jsou polovodičové lasery nazývané též injekční, využívající pro buzení injekci nosičů náboje na PN přechodu. Aktivním prostředím je PN přechod tvořený materiály s vysokou pravděpodobností zářivé rekombinace (např. GaAs, AlGaAs,..) b) aby generace fotonů po určité době neustala, musí část emitovaného záření zůstávat v aktivním prostředí a vyvolávat stimulovanou emisi u dalších fotonů. Existenci této kladné zpětné vazby zajišťují dvě planparalelní zrcadla (tvořící rezonátor), od nichž se část fotonů odráží zpět do aktivního prostředí. Po několika

12 11 odrazech i tyto fotony vyletí polopropustným zrcadlem a přispívají k celkovému zářivému toku laseru. c) aby v aktivním prostředí převládla stimulovaná emise nad ostatními proti působivými jevy - např. absorpcí apod. Za splnění výše uvedených tří podmínek může dojít ke generaci koherentního záření. První fotony vždy vznikají na principu spontánní emise. Takto vzniklý foton stimuluje přechody dalších elektronů, přičemž při dostatečném buzení (proudu laserovou diodou) tento proces narůstá a dochází ke generaci koherentního optického záření. Pro zajištění kladné zpětné vazby není třeba u polovodičového laseru vnějších zrcadel ( jako je tomu u plynového laseru), neboť je tvoří samotné rozhraní polovodič - vzduch s poměrem indexů lomu asi 1 : 3. Dioda je v konečné fázi výroby štípána podél přirozených krystalografických rovin, které jsou dokonale planparalelní a kolmé k rovině přechodu. Obě vrstvy PN přechodu musí být velmi silně dotovány. Přesáhne-li koncentrace injektovaných nosičů určitou mez, stimulovaná emise natrvalo překoná absorbci a v aktivní oblasti PN přechodu se dosáhne ustálené generace velkých hustot fotonů. - což odpovídá průběhu tzv. Watt - ampérové charakteristice ( - závislosti výstupního výkonu na proudu diodou), uvedené dále. Při průtoku propustného proudu pod hodnotou tzv. prahového proudu dochází převážně jen ke spontánní emisi, jako v případě LED diod. U laseru je toto generované optické záření považováno za šum a to nejen z důvodu malých intenzit optického záření ale především jeho nekoherentnosti. Teprve nad prahovým proudem dochází k nasazení stabilních laserových oscilací, tzn. ke generování koherentního záření. Příklad tzv. heterostruktury laserové diody obr. č Helium-neonový laser Aktivní prostředí je tvořeno výbojovou dráhou výbojky plněné směsí helia a neonu. Čerpání je realizováno elektrickým výbojem, v němž se atomy helia budí do vyšších energetických stavu. Tyto atomy pak předávají při srážkách energii atomům neonu.

13 12 Stimulované emise při přechodech takto vybuzených atomů neonu na nižší energetické hladiny se pak využívá ke generaci koherentního záření. Jedno z možných uspořádání takového laseru ukazuje obr. č Na tomto obrázku je mezi zrcadly Z1, Z2 tvořícími rezonátor laseru umístěna výbojka V, napájená ze zdroje U. Jedno z obou zrcadel je polopropustné a umožňuje tak výstup generovaného světelného svazku. Čelní plochy výbojové trubice bývají skloněny v Brewsterově úhlu, aby se zde intenzita paprsku zbytečně nesnižovala nežádoucím částečným odrazem. Z hlediska pracovního režimu je tento typ laseru kontinuální, tj. generace záření probíhá nepřetržitě, na rozdíl od pulzních laserů, kde vybuzení systému a vyzáření proběhne v krátkém okamžiku. Helium-neonové lasery nevynikají vysokým výkonem, na rozdíl od některých pulzních laserů. Význačnou vlastností generovaného světla je malá divergence svazku, jeho koherence a monochromatičnost. V tomto směru laser podstatně předčí klasické zdroje světla. [1] Žárovky Jedná se o klasické tepelné zdroje záření, které jsou neustále využívané. Patří ke zdrojům širokého spojitého spektra záření z infračervené a viditelné oblasti. Pro získání záření s vyžadovaným spektrálním složením se opatřují vhodnými filtry, které umožní přizpůsobit jejich vyzařovací vlastnosti požadavkům různých detektorů a optických prostředích Výbojky Řadíme je k luminiscenčním zdrojům světelného záření. Při použití je nutné je přizpůsobovat slaboproudým zapojením (s tranzistory, integrovanými obvody) Elektroluminiscenční kondenzátory U tohoto typu se záření vyznačuje velkou monochromatičností a úzce směřované. Řadíme sem práškové, sublimované a monokristalické luminofóry. může být velmi

14 Optické přenosové prostředí - Atmosféra pracovního prostředí - Optické vláknové vlnovody Atmosféra pracovního prostředí V mnohých případech optoelektronických snímačů se používá jako optické přenosové prostředí atmosféra. Kvalita přenosu informací na optických frekvencích atmosférou je ovlivňovaná nekontrolovatelně se měnícími podmínkami. Průchodem přes atmosféru je optický signál absorbovaný a rozptylovaný různými složkami atmosféry. Molekulární absorpce je způsobená složkami plynu, kterými jsou: vodní pára, oxid uhličitý, ozón,oxidy dusíku V nehomogenní atmosféře dochází ještě k míchání různých ohřátých vrstev, čím se mění index lomu vzduchu Optické vlnovody Za optické vlnovody můžeme považovat jakékoliv dielektrické struktury, které umožňují přenos energie elektromagnetickými vlnami v oblasti optických frekvencích. V praxi jsou nejpoužívanější optické vláknové vlnovody. Optické vláknové vlnovody Skládají se z optického ohebného vlákna s malým průřezem jádra, které je schopné vést viditelné a infračervené záření na velkou vzdálenost. Dále se skládají z aktivního pláště a ze sekundárního ochranného obalu. Jádro a plášť se podílejí na jeho optických přenosových vlastnostech, obal slouží k zlepšení mechanických vlastností. Jako materiál optických vlnovodů se používají transparentní dielektrika, anorganické a organické skla s minimálními optickými ztrátami (s vysokou čistotou materiálu). Požadavky na čistotu materiálu jádra vlnovodu jsou velmi přísné, protože příměsi podstatně ovlivňují součinitele zářivé propustnosti vlákna. Podstatu vedení záření optickými vlnovody tvoří mnohonásobně totální vnitřní odrazy na rozhraní dvou prostředí s odlišnými indexy lomu.

15 14 Optické přenosové vlastnosti vlnovodu můžeme charakterizovat spektrální propustností τ (λ). Optické ztráty vznikají jednak ztrátami odrazem na vstupní a výstupní ploše vlnovodu, dále ztrátami v jádře a ztrátami při úplném odrazu. Tyto ztráty závisí na délce vlákna a měří se v db/km. Slouží-li optické kabely pro přenos obrazu, nazýváme je regulární. Slouží-li jen pro přenos záření, nazýváme je neregulární. [2] 3.3 Detektory (čidla) záření Čidla světelného záření Do této skupiny zahrnujeme čidla, která jsou citlivá na světlo, tedy na zářivou energii v oblasti vlnových délek 380nm až 760nm. Můžeme je rozdělit podle 1) činnosti fotorezistory, fotodiody, fototranzistory, fototyristory. 2) počtu elementů čidla jednoduchá, dvojitá, řadová, maticová. 3) spojení s vyhodnocovací elektronikou jednoduchá, hybridní Rozdělení podle činnost: Fotorezistor (fotoodpor) Jedná se o dvojpól reagující změnou vodivosti na změnu intenzity ozáření. Rozlišujeme : - kladný fotoelektrický vodivostní jev, který se projevuje zmenšením odporu vlivem zářivého toku - záporný fotoelektrický vodivostní jev, se projevuje přesně opačně Současné polovodičové materiály fotorezistorů využívají kladný fotoelektrický jev. Pro záporný fotoelektrický jev se dodnes nenašlo uplatnění.

16 15 Podstata kladného fotoelektrického jevu Absorpcí záření se zvyšuje vodivost, která se může projevit v základní mřížce, na příměsových atomech nebo na volných elektronech ve vodivostním páse.v případě vlastní fotoelektrické vodivosti může část elektronů získat energii od fotonů potřebnou na přechod z valenčního pásma do vodivostního. Vzniká tak určitý počet volných páru elektronů (děr), které se při dodání další energie rozpadají a mohou se podílet na vedení proudu. Může také nastat, že nárůst vodivosti není způsoben zvýšením počtu volných nosičů náboje, ale zvýšením jejich pohyblivosti. Z hlediska obvodového zapojení si můžeme fotoodpor představit jako dvojpól, u kterého se mění jeho impedance a tu můžeme posuzovat pomocí proudu, který teče fotorezistorem. Fotorezistory představují nejjednodušší fotoelektrické přijímače. Používají se v mnohých aplikacích optoelektronických snímačů. Mezi jejich výhody patří: velká citlivost, široký rozsah odporu, široké použitelné spektrum, nízká cena. Nevýhody: nelineární závislost odporu na intenzitě ozáření, teplotní a časová nestabilita vlastností. Fotodioda Je to typický polovodičový detektor záření. Podstata děje probíhajícího ve fotodiodě je inverzní k ději probíhajícímu v elektroluminiscenčních diodách fotony o vhodné energii h_ > Eg, dopadající na P-N přechod, vyvolávají vznik elektrického napětí na jeho vývodech. Tento efekt, nazývaný též fotovoltaickým jevem na P-N přechodu, vzniká tak, že světlem vytvořené elektrony a díry v oblasti P-N přechodu jsou jeho silným vnitrním elektrickým polem rozdělovány a vzniká tak elektromotorická síla s kladným pólem na P oblasti. Struktura P-N tvoří v tomto případe tzv. fotodiodu (fotonku). Po připojení vnějšího elektrického obvodu k fotodiodě pak muže tímto obvodem procházet proud a to zřejmě i tehdy, když na fotodiodu není přiloženo žádné vnější napětí. Takový režim fotodiody se nazývá hradlový a je nejjednodušší realizací přímé přeměny světelné energie na elektrickou (kromě hradlového režimu muže fotodioda pracovat i v různých variantách s přiloženým vnějším napětím). Běžným materiálem na výrobu fotodiod je křemík. Vlastnosti fotodiody (obr. č. 3.4)

17 16 Fototranzistor Pro detekci velmi slabých světelných toku není fotodioda dostatečně citlivá. K zesílení proudu fotodiody lze pak použít tranzistorové struktury. Fototranzistor má zcela analogicky jako obyčejný tranzistor dva P-N přechody, z nichž přechod emitor-báze je pólován v propustném směru a přechod báze-kolektor v závěrném směru. Fototranzistor může být též typu PNP či NPN. [3] Fototyristor Je elektronický spínač, který lze dopadajícím zářením přepnout z blokovacího do propustného stavu. Fototyristory můžeme rozdělit do těchto základních skupin: 1.závěrně blokující diodový fototyristor 2.závěrně blokující triodový fototyristor 3. závěrně blokující tyristorová fototetroda 4. programovatelná fotodioda se dvěma bázemi. Všechny typy fototyristorů vycházejí z diodového fototyristoru. Liší se od něj počtem a druhem vrstev křemíku vyvedených na svorky a základními parametry. Podmínky pro zapnutí lze dosáhnout buď řídicím proudem, nebo osvětlením fototyristoru ze strany katody. Toto řešení patří mezi nejrozšířenější. Rozdělení podle počtu elementů: Řadová a maticová čidla Čidla jednoduchá Tento typ čidel se objevil s požadavkem realizace snímače obrazu v souvislosti se speciální měřicí technikou a robotikou. Z počátku se tento problém řešil pomocí elektronek, což se ukázalo jako nevyhovující. Další možnost jak vytvořit obrazový snímač bylo složení snímače z většího počtu čidel v definovaném uspořádání. Snímač byl tvořen jednotlivými čidly a musel mít velký počet vývodů pro připojení k řídicím obvodům. Čidla s tímto řešením byla na určitém stupni vývoje vyráběna.

18 17 Integrovaná čidla Tato technologie umožnila vytvoření potřebného registru a čidel na společném polovodičovém elementu. Tímto uspořádáním lze redukovat počet vývodů z obrazového snímače na minimum. Plocha celého snímače je složena z 10 5 čidel citlivých na světlo v integrovaném provedení a je poměrně malá. Použití světelných čidel u robotických systémů Světelná čidla se svými parametry řadí mezi čidla robotů s nejširším rozsahem využití. Pokrývají celý rozsah viditelného spektra. Vyznačují se vysokou citlivostí a předpokládá se další zvětšování. Lze je realizovat v extrémně malých rozměrech Čidla infračerveného záření Do této skupiny zahrnujeme čidla, která jsou citlivá na světlo, tedy na zářivou energii v oblasti vlnových délek 0,76µm až 1000µm. Čidla infračerveného záření můžeme rozdělit do dvou základních skupin: 1.čidla fotoelektrická využívají fotoelektrického jevu: -fotorezistory -fotodiody 2.čidla tepelná využívají absorpce infračerveného záření ke změně jeho teploty -bolometry -termoelektrická čidla -pyroelektrická čidla -speciální Čidla odporová Společným znakem je změna odporu čidla při dopadu infračerveného záření. Jsou to nejjednodušší čidla infračerveného záření a dělíme je do dvou skupin: Fotoelektrická fotorezistory, fotodiody Tepelná bolometry kovové, polovodičové.

19 18 Fotorezistory Patří mezi nejpoužívanější čidla a konstrukce je stejná jako u čidel světelného záření. Fotodiody Princip a konstrukce jsou stejné jako u fotodiod pro světelné záření. Používají se křemíkové a germaniové fotodiody. Kovové bolometry Jejich činnost je založena na změně odporu, která vzniká při ohřevu čidla v důsledku dopadajícího infračerveného záření. Konstrukčně je čidlo řešeno tak, že se skládá ze dvou kovových pásků, umístěných vedle sebe v krytu s okénkem pro vstup záření. Jako citlivý materiál se používá: platina, nikl, vizmut. Měřené záření dopadá na jeden černý pásek, druhý pásek má teplotu okolí a oba pásky jsou zapojeny do můstku. Polovodičové bolometry Mohou být polykrystalické a monokrystalické Konstrukčně se podobají kovovým bolometrům, pouze tloušťka odporové vrstvy je větší Světlovodná čidla Hlavní výhodou je odolnost proti rušení elektromagnetickým polem a možnost použití ve výbušném prostředí. Čidla dělíme na: jednovidová, mnohovidová a speciální Podle vedení signálu můžeme uvést: čidla transmisní, čidla reflexní

20 19 Materiály světlovodů Základním materiálem je SiO 2. Technologie je propracovaná tak, že se podařilo dosáhnout teoretické hranice ztrát rozptylem. Pro infračervenou oblast se používají světlovody z arsenidu. Pro ultrafialovou část spektra pak speciální skla, plasty. Využití je pestrobarevné a vyrábějí se čidla pro měření: polohy, výchylky, posunutí, síly, tlaku, vibrací, zrychlení, teploty Optoelektronická a optronová čidla Podle typu napájecího signálu lze rozdělit optoelektronická čidla do dvou skupin: - napájení elektrickým proudem - napájení světelným tokem V prvním případě se chová čidlo jako modulovaný zdroj světelného záření. Ve druhém případě je zdroj světelného záření od čidla oddělen. Optron jako čidlo Pod tímto označením rozumíme spojení zdroje světla a čidla světelného záření v jeden celek, optronovou dvojici optron. Vytváří se tak jednoduchý elektrooptický čtyřpól. Vzájemná vnitřní vazba této dvojice může být: - elektrická - optická - kombinovaná Blokové schéma optronu s elektrickou vazbou je na (obr. č. 3.5).Vstupním řídicím signálem je světelný tok Φ 1. V prvním bloku je světelný signál převeden na elektrický a po vhodné úpravě signálu zpět převeden v dalším bloku na světelný signál Φ 2. Vhodnou volbou spektrálních charakteristik obou členů optronu lze provést převod záření o dané vlnové délce na záření o jiné vlnové délce. Optron tohoto typu může pracovat jako zesilovač nebo měnič záření. Jestliže bude světelný tok ovlivňován měřenou neelektrickou veličinou, můžeme optron použít jako čidlo měřené neelektrické veličiny.

21 20 Rozdělení optronů Optrony s optickou vazbou se nejčastěji používají v robotických systémech jako čidla. Podle vzájemného postavení měřeného objektu a čidla můžeme rozdělit optronová čidla do těchto základních skupin: - průchozí - reflexní - kombinované Další dělení lze provést podle vzájemného postavení zdroje záření a čidla světelného záření. Můžeme vytvořit tyto skupiny: 1. Typ I souosý. Zdroj záření i čidlo jsou umístěny v jedné ose (za sebou).(obr.č. 3.6a) 2. Typ H paralelní uspořádání. Osy zdroje záření a čidla záření jsou rovnoběžné.(obr.č 3.6b) 3. Typ V - osy zdroje záření a čidla záření svírají definovaný úhel.(obr.č. 3.6c) 4. Typ Y zdroj záření a čidlo záření jsou spojeny se sdružovačem, který zajišťuje svedení vysílaného a přijímaného záření do jedné osy.(obr.č. 3.6d) Mimo uvedené typy lze vytvořit optronová čidla jednoduchá nebo vícenásobná. Dále se můžeme setkat s optronovými čidly s vibračním nebo rotačním pohybem. Použití optoelektronických čidel Jsou využívány především v extrémních provozních podmínkách. Dají se měřit tyto veličiny: poloha, rychlost, vibrace, tlak, síla..v současné době je běžné použití optronů pro jednoduché číslicové měření polohy a otáček. Sériově se vyrábějí optrony typu I,H,V ve velkém rozměrovém sortimentu. [4] 4. Struktura optických snímačů Snímač je funkční prvek tvořící vstupní blok měřicího řetězce, který je v přímém styku s měřeným prostředím. Vlastní citlivá část senzoru je někdy označovaná jako čidlo. Podstatu současných optoelektronických snímačů tvoří snímanou fyzikální veličinou vyvolaný optický jev, který vzniká mezi zdrojem a detektorem záření v

22 21 optickém prostředí a který způsobuje změnu (modulaci) přenášeného optického signálu, odpovídající změně snímané fyzikální veličiny. Všeobecně se využívají známé fyzikální jevy, které se vyskytují při interakci mezi různými fyzikálními poli a optickým prostředím. Při této interakci nastává změna vlastností optického prostředí, které se projeví jako změna optického a nakonec - v konečném důsledku elektrického signálu. V jednotlivých vývojových stádiích a také v závislosti od účelu použití snímačů se mění technická úroveň a složitost prostředků základních strukturálních celků. V některých aplikacích chybí zdroje záření, přičemž se využívá pouze světelné záření šířící se pracovním prostředím. Pokud zvolíme za optické prostředí pouze okolní atmosféru, musíme vhodně zvolit zdroj i detektor záření. Toto zapojení bývá označováno jako fotoelektrický snímač. [5] V mnohých aplikacích měření fyzikálních veličin je optické prostředí nahrazeno optickými vláknovými vlnovody. Toto zapojení označujeme jako optické vláknové snímače. Fotoelektronické snímače tedy můžeme rozdělit na fotoelektrické snímače a optické vláknové snímače. 4.1 Fotoelektrické snímače Na těchto snímačích může měřená veličina způsobit: - modulaci charakteristických veličin zářivého toku transmisní typy snímačů - proměnlivý odraz zářivého toku - reflexní typy snímačů - interferenci měřicího a porovnávacího záření interferenční typy snímačů Z těchto možností jsou nevíce využívány snímače reflexní. Podle toho, co paprsek odráží, se senzory dělí na: - reflexní senzory/spínače přiblížení - detekuje se odražený paprsek od přiblíženého objektu viz.(obr. č. 4.1) V běžném provedení mají měřicí dosah nejčastěji do 0,5 m, ale existují dnes i senzory s větším dosahem až 2.0 m při vysílači tvořeném infra LED a až 1,5 m při použití červené laserové diody.

23 22 - reflexní závory - detekuje se přerušení paprsku odrážejícího se od odrazky (Obr. č. 4.1) Podle použité optiky se pak někdy dále rozlišuje několik provedení: - difuzní - používají čočky pro kolimaci paprsků, aby se vrátilo co nejvíce světla zvětšení snímací vzdálenosti, zvýšení citlivosti na úhlu naklonění - divergentní - nemá kolimační čočky => kratší spínací vzdálenost, menší citlivost na odklonu či pootočení proti kolmému postavení proti snímanému objektu - konvergentní - používá čočku pro zaostření světla do ohniska => umožní detekovat i velmi malé objekty a z materiálů s velmi špatnou reflexí Optické reflexní senzory Patří mezi nejpoužívanější snímače pro zjištění přítomnosti objektů. V současnosti umožňují detekovat většinu existujících materiálů. Jejich největší výhodou je velký snímací rozsah, který v případě optických závor s laserovými diodami může přesahovat i 50 m. Skupinu reflexních senzorů přiblížení, lze často dle principu detekce dále rozdělit na: - senzory s potlačeným pozadím (background proximity photosensors) - detekuje se odraz světla od detekovaného objektu, rozpoznání objektů v rámci definované vzdálenosti snímání. Objekty, které leží za touto hodnotou, jsou odcloněny. (Obr. č. 4.2) - senzor s potlačeným popředím (foreground proximity photosensors) - detekuje se odraz od pozadí za detekovaným objektem, rozpoznání nízkých objektů, např. na jedoucím pásu. Rozpoznány jsou objekty, které zmenšují vzdálenost mezi senzorem a rovinou pásu. energetické (energetic) - také detekuje odraz světla od snímaného

24 23 předmětu. Vzdálenost snímání / bod sepnutí je však nastavitelný prostřednictvím změny citlivosti. Princip funkce Senzory pracují na principu detekce existence nebo měření intenzity paprsku světla dopadajícího na přijímací část senzoru. Měří se nebo detekuje množství odraženého světla dopadající zpět na optický detektor umístěný hned vedle vysílače. Konkrétně se měří úroveň amplitudy nebo světelný výkon a porovnává s nastavenou, požadovanou hodnotou. To umožňuje nejen měřit vzdálenost, ale zpracovat jiné optické parametry jakou jsou kontrast a barva. Senzory jsou tedy složené z optického vysílače a přijímače. Vysílače jsou tvořené buď LED diodou (pro dosah jednotek metrů) nebo laserovou diodou (pro dosah až několik desítek metrů). Jako LED se obvykle využívají různé diody ve viditelném spektru světla, laser se často používá červené barvy. Přijímače jsou dnes tvořené fototranzistory nebo pro výkonnější senzory rychlejšími PIN fotodiodami. Princip optického senzoru a řez jeho strukturou je na (Obr. č. 4.3) Optické reflexní závory Detekují přerušení paprsku odrážejícího se od odrazky. Tyto senzory pracují na principu přerušení paprsku odráženého odrazkou připevněnou na podkladu za oblastí pro detekci objektu. Protože odrazka odráží až 3000x více světla než bílý papír, lze takto běžně detekovat předměty na vzdálenost až 10 m. Existují dnes však i senzory s větším dosahem až 22 m při vysílači tvořeném LED a až přes 50 m při použití laserové diody. Navíc nemusí být senzor/závora vždy kolmý na snímaný objekt, naopak často se umisťují pod úhlem 10, aby se zamezilo zpětnému odrazu paprsku od lesklých předmětů. Tzn. že žádoucí jev pro reflexní senzory je naopak nežádoucí pro závory. Důležitá je zde volba správné odrazky, která musí mít tvar a velikost odpovídající tvaru a velikosti detekovaného objektu a vzdálenosti od senzoru závory. viz (Obr. č. 4.4)

25 Společné charakteristické vlastnosti a parametry u fotoelektrických snímačů Hlavními parametry optických senzorů, které se obvykle uvádí, jsou: - směrová charakteristika (reflexní senzor) - ohraničená plocha, uvnitř které bude detekován předmět splňující požadavky snímání. Pro všechna provedení reflexních senzorů je definována referenční jednobarevná odrazná karta s 90% reflexe dle stupnice Kodak (bílý papír má reflexi o 10% nižší). Materiály, které mají menší schopnost odrazu světla, mají charakteristiku relativně menší. - směrová charakteristika (reflexní závora) - ohraničená plocha, uvnitř které dostane senzor vždy odražený signál. V případě reflexních závor se směrová charakteristika vztahuje k referenční prostorové odrazce typického průměru 80 mm kolmé k optické ose. - výkonová rezerva, provozní rezerva - nadbytek výkonu na přijímacím prvku, která přesahuje minimální hodnotu výkonu pro požadovanou spolehlivou funkci senzoru. Provozní podmínky (špína, prach, kouř, vlhkost) pak způsobují zeslabení (útlum) signálu. Výkonová rezerva se uvádí jako funkce vzdálenosti a v případě reflexních závor se uvádí pro konkrétní odrazku. Závisí tedy na zvoleném rozsahu nebo snímací vzdálenosti a příslušném provedení senzorů. - prahová úroveň - velikost přijatého výkonu, která právě vyvolá změnu výstupního signálu. - kontrast - poměr dvou hodnot světla odpovídající stavům "světlo" (paprsek mezi přijímačem a vysílačem nepřerušen) a "tma" (paprsek přerušen). Vždy je nutné vybrat takový senzor nebo optiku, aby byl kontrast pro danou aplikaci maximální - reakční doba, odezva výstupu senzoru - maximální doba potřebná pro zpracování změny vstupního signálu (přerušení paprsku) na změnu výstupního signálu. Tato hodnota pak určuje u digitálních senzorů maximální spínací frekvenci definující minimální rozměry a rychlost pohybu detekovaných předmětů nebo mezery mezi objekty např. na výrobním pásu.

26 25 - průměr paprsku (Ligth spot diameter) - udává průměr vyzařovaného paprsku v určité vzdálenosti od senzoru. Tato hodnota je výsledkem použité optiky a prakticky definuje minimální rozměry detekovaného objektu nebo odrazky, která musí být vždy větší než uvedená hodnota. - snímací (spínací) vzdálenost (Scanning distance) - vzdálenost od reflexního senzoru, ve které může být spolehlivě detekován objekt. Tato hodnota závisí na odrazivosti (reflexi) objektu Ro a pozadí Rh. Tato hodnota také závisí na vzdálenosti pozadí od detekovaného předmětu Využití fotoelektrických snímačů 1) Pro geometrické veličiny -Fotoelektrický kompenzační snímač průměru válce Pracuje na principu porovnávání dvou světelných toků které dopadají na fotoelektrické přijímače, které ovlivňují jednak měřený objekt a jednak servomotorem řízenou clonu. Při rovnosti světelných toků se zastaví servomotor a poloha clony slouží jako měřidlo měřeného průměru válce. Při této metodě je nutné zabezpečit totožnost parametrů a charakteristik obu dvou zdrojů i detektorů záření. Princip fotoelektrického kompenzačního snímače průměru válce je na (obr. č. 4.5) -Fotoelektrický snímač šířky materiálu Uplatnění našel při měření rozměrů ve válcovnách ( šířky pásů plechů, rozměrů ingotů atd.). Základ tvoří úzké parabolické zrcadlo a odměrná stupnice (rastr). Parabolické zrcadlo soustřeďuje paprsky od ohřátého měřeného pásu do ohniska, ve kterém je umístěné rotující zrcadlo. Toto zrcadlo odráží paprsky na fotopřijímač 1. Fotopřijímač 1 dává signál, kde začátek odpovídá pravé hraně pásu a konec signálu odpovídá levé hraně pásu. Současně přijímá parabolické zrcadlo paprsky od osvětlené stupnice, která se také soustředí na rotující zrcadlo a odráží je na fotopřijímač 2. Tento detektor vysílá řadu pulzů a ty odpovídají stupnici. Vyhodnocovací obvody spočítají počet pulzů, které se vejdou do délky trvaní obdélníkového signálu z fotopřijímače 1. Ze známého dělení rastru lze určit rozměr měřeného pásu. viz (obr. č. 4.6) [2]

27 26 2) Pro ochranu zdraví při práci Požadavky na zvýšenou bezpečnost při práci se promítají i do systémů ochrany obsluhy strojů, skladových zařízení a jiných systémů schopných způsobit úraz. V prostoru, kde není možné zcela bezpečně zabránit možnosti úrazu pasivní ochranou, např. mechanickou konstrukcí stroje, přichází ke slovu aktivní bezpečnostní systém, který zastaví pohon stroje Důležitou součástí aktivních bezpečnostních systémů jsou čidla, která detekují přítomnost nežádoucího objektu v nebezpečné zóně. Požadavkům kladeným na tato čidla, jako je např. bezdotyková detekce, jednoznačné vymezení sledovaného prostoru nebo vysoká odolnost proti selhání, nejlépe vyhovují čidla optoelektronická. Vyrábějí se především v podobě optických závor aktivovaných přerušením paprsku. Používají se: - Jednopaprskové optické závory Samostatné optické závory se používají v případech, kdy je třeba vymezit chráněnou oblast nepravidelného tvaru nebo velkých rozměrů. Pracují pouze s jedním paprskem, pro kontrolu chráněné zóny je jich tedy třeba instalovat několik. Požadovaná bezpečnostní funkce se realizuje ve vyhodnocovací jednotce, na kterou jsou všechny závory připojeny. Využívají se hlavně k ochraně kolem automatických dopravníků, ve skladištích. Příklad ochrany přístupu do pracovního prostoru robotu ukazuje (obr. č. 4.7). - Vícepaprskové optické závory Patrně nejznámějším typem bezpečnostních optických snímačů jsou bezpečnostní světelné mříže a záclony. Pracují na stejném principu jako jednopaprskové optické závory, rozdíl mezi nimi spočívá v rozteči paprsků. Za hranici je považována rozteč paprsků asi 30 mm, pod touto hranicí se mluví již o záclonách. Příkladem použití může být ochrana obsluhy lisu, kdy řídicí systém musí zastavit razidlo v případě, že je v přístupu k pracovním prostoru lisu zjištěn cizí předmět (obr. č. 4.8). [8]

28 Optické vláknové snímače Vznikly na základě vědomostí, získaných při aplikacích optických vláken pro přenos dat. Do této třídy snímačů zařazujeme ty konstrukce, ve kterých je optické prostředí vytvořené účelnou kombinací optických vláken. Podle konstrukce senzorů lze optické vláknové senzory dělit na: - Vlastní optické vláknové snímače (interní), u nichž měřená fyzikální veličina (tlak, pnutí.) působí přímo na přenosové vlastnosti vlákna (útlum, polarizace, fáze, index lomu), nebo převod měřené veličiny nastává přímo ve vláknu. - Nevlastní optické vláknové snímače (externí), u nichž optické vlákno slouží jen k přenosu světla, přičemž vlastnosti světla se modulují vlivem měřené fyzikální veličiny mimo vlákno. Vlastní i nevlastní senzory se dále dělí na: -Přenosové (tranzitní), u kterých je fyzicky rozlišeno vstupní a výstupní optické vlákno. -Odrazové (reflexivní), u kterých je vstupní vlákno většinou totožné s výstupním vláknem. Podle typu použitých optických vláken v navázanosti na typ použitého zdroje záření jsou dále děleny na: 1) Jednovidové - využívají jednovidová optická vlákna a koherentní zdroje záření 2) Mnohovidové - využívají mnohovidová optická vlákna a nekoherentní zdroje záření

29 28 Podle způsobu modulace optického signálu můžeme optické vláknové snímače rozdělit na: - amplitudové - fázové - polarizační - s modulací vlnové délky - s modulací časového rozšíření impulzu Optické vláknové snímače s amplitudovou modulací Modulace intenzity záření se realizuje u vlastních optických vláknových snímačů změnou indexu lomu, nebo změnou koeficientu útlumu. Útlum se mění např. mikrodeformacemi vlákna, při nichž dochází k rozptylu vidů vyšších řádů do pláště vlákna. U nevlastních snímačů dochází k modulaci vzájemným pohybem pevného a pohyblivého konce přerušeného vlákna, nebo mechanickým modulátorem vloženým do vlákna, změnou odrazivosti mechanického modulátoru, proměnou emisivitou fotoluminiscenčního ukončení vlákna. Optické vláknové snímače s fázovou modulací Jsou založeny na modulaci optické vlny postupující snímací části jednovidového vlákna senzoru. Pro vyhodnocení fázově modulované vlny se nejčastěji používají interferometrické metody s homodynní nebo heterodynní demodulací. Optické vláknové snímače s polarizační modulací Nositelem informace je natáčení polarizační roviny dvou navzájem ortogonálně polarizovaných složek základního vidu v jednovidovém vlákně. Polarizace optického vlákna se může měnit těmito vlivy: - dvojlomem vyvolaným optoelastickým jevem při příčném anizotropním stlačení vlákna. - Faradayovým jevem otáčením polarizace lineárně polarizované vlny působením magnetického pole.

30 29 Úhel natočení polarizační roviny je pak zjištěn polarizačním analyzátorem dvou ortogonálních složek optického signálu ve dvou polovodičových detektorech. Vyhodnocuje se podíl dopadajících optických toků. Optické vláknové snímače s modulací vlnové délky Pracují na principu detekce spektrálně závislých změn absorpce, emise nebo indexu lomu Optické vláknové snímače s modulací časového šíření impulsů Princip uvedeného typu spočívá ve vyhodnocování fyzikálních veličinou způsobeného zpoždění nebo změny šíře impulsů v uzavřené smyčce optického vlákna. [6] Charakteristické vlastnosti a parametry Citlivost vyjadřuje se pomocí hodnoty napětí měronosného signálu na vstupu detekčního sytému senzoru při působení jednotkové snímané veličiny Práh citlivosti rovnající se velikosti snímané veličiny při působení, kdy se na výstupu detekčního systému senzoru hodnota napětí měronosného signálu rovná střední kvadratické hodnotě napětí jeho vnitřního šumu Dynamický rozsah je určen intervalem přípustných hodnot měřené veličiny, určený prahem citlivosti a maximální přípustnou hodnotou snímané veličiny Linearita lineární závislost hodnoty napětí měronosného signálu na výstupu detekčního systému senzoru od hodnoty snímané veličiny [7] Využití optických vláknových snímačů Příklad amplitudového akustického snímače ze vzduchu je na (obr. č. 4.9). Součástí tělesa snímače je pevný konec optického vstupního vlákna. Pohyblivý konec výstupního vlákna je připevněný k pružné kuželové membráně. Pohybem středu

31 30 membrány se vychyluje pružné vlákno, čím se moduluje intenzita přenášeného záření od zdroje k detektoru. Typickým příkladem fázového optického vláknového snímače je hydrofon. (obr. č. 4.10) Záření z laseru je rozděleno do dvou paprsků se stejnou intenzitou. Jeden z paprsků prochází přes senzorové vlákno, které je ponořené do vody. Druhý paprsek prochází přes stejně dlouhé referenční vlákno umístěné ve vzduchu. Akustickou vlnou vyvolaná fázová modulace je snímaná po interferenci obou paprsků příslušným detektorem a vyhodnocena obvody pro zpracování signálu z detektoru. Na snímání akustických signálů lze použít i polarizační optický vláknový snímač. Princip je založen na optickém vlákně navinutém na pružném válci z vhodného materiálu. Deformace válce způsobená měřeným akustickým signálem, moduluje dvojlom optického vlákna.vzhledem k tomu, že dva navzájem ortogonální vidy mají různé konstantní šíření, dochází k otočení roviny polarizace optického signálu, přičemž akustický tlak má vliv na velikost hodnoty otočení. Na výstupu se optický signál rozloží na dvě navzájem ortogonálně polarizované složky a detekuje se jejich intenzita. Z jednotlivých hodnot se vyhodnocuje akustická veličina.polarizační optický vláknový snímač je na (obr. č. 4.11) [2]

32 31 5. Závěr Optické senzory jsou již dlouhou dobu poměrně rozšířené pro použití detekce přítomnosti objektu v určitém prostoru. Podle jejich struktury je můžeme rozdělit na fotoelektrické a optické vláknové snímače. Tyto dvě skupiny se ještě dále dělí např. podle toho, co paprsek odráží, podle použité optiky, podle typu použitých optických vláken a podle způsobu modulace optického signálu. Mezi nejdůležitější technické parametry všech snímačů patří citlivost, práh citlivosti, dynamický rozsah, reprodukovatelnost, rozlišitelnost, aditivní a multiplikativní chyby, linearita, parametry výstupu a dynamické parametry (časová odezva, časová konstanta, frekvenční rozsah a parametry šumu). Jejich hlavním konkurentem jsou ultrazvukové senzory, které dosahují podobných parametrů. Kdybychom je měli porovnat, tak ve prospěch optických senzorů hovoří užší vyzařovací i směrová charakteristika umožňující přesnější detekci, možnost použití i ve vakuu a o něco větší dosah. Naopak nevýhodou jsou problémy s detekcí velmi lesklých a opticky transparentních předmětů a nutnost přesnější instalace. Velkým nepřítelem optických senzorů je znečištění a to nejen odrazných ploch předmětu a optiky samotného senzoru, ale i plynu (ovzduší) mezi senzorem a objektem. Tato nevýhoda může omezovat použití optických senzorů ve strojním průmyslu a dopravě. Nevýhody spojené s optickým přenosovým prostředím byly odstraněny aplikací optických vláknových snímačů. Při využití v praxi si můžeme vybrat z velkého počtu snímačů a jejich výrobou se zabývá celá řada firem. Při výběru nejvhodnějšího typu snímače jsou nám k dispozici katalogy těchto firem, včetně podrobného popisu technických parametrů.

33 32 6. POUŽITÁ LITERATURA [1] Švec M.1991 Aplikovaná optika a elektronika.vut v Brně [2] Vidlár Š.1987: Prostriedky automatického riadenia 1 Snímače neelektrických veličin. SVŠT v Bratislavě [3] Vobecký J., Záhlava V. 2001:Elektronika, součástky a obvody. Grada Publishing [4] Zehnula K. 1990: Čidla robotů. SNTL. [5] Volf J. 1987: Elektronika pro zaměření robotizace technologických procesů. ČVUT v Praze. [6] Kreidl M.1992: Senzory.ČVUT v Praze [7] Turán J., Petrík S.1991: Optické vláknové senzory. Alfa [8]

34 33 7. Seznam příloh Obrázky: Obr.č.2.1 Spektrální citlivost lidského oka a detektorů Obr.č.3.1 a) Konstrukce LED diody a b) zapouzdření Obr.č.3.2 Příklad tzv. heterostruktury laserové diody AlGaAs Obr.č.3.3 Helium-neonový laser. Obr.č.3.4 Volt-ampérová charakteristika fotodiody Obr.č.3.5 Blokové schéma optronu Obr.č.3.6a-d Základní typy optronových čidel Obr.č.4.1 Schéma reflexních světelných spínačů a závor Obr.č.4.2 Optický senzor s potlačeným pozadím (vlevo) a popředím (vpravo) Obr.č.4.3 Princip optického senzoru a řez jeho strukturou Obr.č.4.4 Princip optických závor Obr.č.4.5 Princip fotoelektrického snímače průměru válce Obr.č.4.6 Schéma fotoelektrického snímače šířky materiálu Obr.č.4.7 Příklad použití jednopaprskové optické závory Obr.č.4.8 Příklad použití vícepaprskové optické závory Obr.č.4.9 Amplitudový optický vláknový senzor Obr.č.4.10 Interferenční optický vláknový snímač Obr.č.4.11 Polarizační optický vláknový snímač

35 34