4. Optické senzory polohy

4. Optické senzory polohy Úkoly měření: Měření malého proudu 1) Změřte velikost výstupního signálu fotodiody FD 1 v členu IL300 v závislosti na velikosti budicího proudu IRED (infračervené diody), jejíž záření dopadá na fotodiodu. Měřte v rozmezí proudu 0 až 12 ma (např. pro 0, 2, 4, 6, 8, 10, 12 ma) Využijte převodník proud/ napětí s operačním zesilovačem TL084. Pro stejné velikosti budicího proudu určete velikost napětí naprázdno fotodiody FD 2. Jak se toto změřené napětí změní zatížením odporem 10 kohmů proti zemi? BK126 + 12 V 0 V - 12 V - 12 V + 12 V 0 (GND) R z = 120 k (R3) U OZ regul. zdroj + ma + D 1 Gnd IRED R 1 1 k A K FD 1 FD 2 (R 2 ) 10 k U Fot voltmetr Hi Com 1234 680 Gnd Snímače polohy s optickými vlákny Obr. 1 Zapojení pro měření malých proudů 2) Zjistěte přibližný tvar vyzařovací charakteristik vyzařovací charakteristiky vysílače optického reflexního snímače E32- DC200, odhadněte velikost úhlu této charakteristiky. 3) Určete závislost výstupního signálu na vzdálenosti u reflexního snímače s optickými vlákny pro vzdálenost 5 mm až 300 mm. (Velikost kroku volte adaptivně podle změny úrovně výstupního signálu). Hodnoty odečítejte z panelu zesilovače E3X-DA51-N. 4) Určete změnu výstupního signálu při změně odrazivosti povrchu desky (pro bílý a šedý povrch) ve vzdálenosti 50 mm. Určete, zda jsou změny signálu dobře pozorovatelné a zda by bylo možno takovéhoto způsobu využít pro kontrolu přítomnosti bílého papíru na tmavém podkladu. 5) Demonstrujte použitelnost snímače pro určení přítomnosti tmavé čáry na objektu umístěném před snímačem. V jaké vzdálenosti od snímače by měl objekt být umístěn, aby se rozpoznala černá čára o šíři 1 cm? Určete, zda by bylo možno tento snímač použít pro snímání černo bílých značek na pohyblivém pásu pro vyhodnocení jeho posuvu? Str. 1/11

6) Demonstrujte použití reflexního snímače pro detekci díry (o průměru 2 cm) v deskovém objektu umístěném ve vzdálenosti přibližně 10 mm až 20 mm od snímače (zapište úrovně signálu pro oba případy- před snímačem umístěna: a) celistvá část, b) část s dírou. 7) Určete závislost výstupního signálu optické závory se senzorovou hlavou E32 TC16 na stupni jejího zaclonění. Určete převodní konstantu k p = x cl / N oz závislosti N oz = f ( x cl ) ve Vámi zvolené lineární oblasti, kde x cl je velikost posunu clonky v mm a N oz je údaj na zobrazovači zesilovače E3X-DA51-S. Promítněte optickou stopu z vysílací části E32 TC16 na papír a popište vzhled stopy. 8) Demonstrujte použití snímače (se senzorovou hlavou E32 TC16) pro rozlišení dvou válcových objektů (o průměru jednotek milimetrů) podle průměru, které budou vloženy do středu prostoru snímací hlavy. Triangulační snímač 9) Zjistěte závislost výstupního napětí triangulačního optického snímače Sharp GP2Y0A21YK0F na vzdálenosti bílé odrazné plochy s matným povrchem. Měřte ve vzdálenostech od 5 cm do 30 cm (měřicí vzdálenosti zvolte tak, aby bylo možno Vámi zjištěnou charakteristiku porovnat s katalogovým údajem. V každé poloze použijte též jako odrazný povrch i šedivý papír, který se přiloží na odraznou plochu pod magnet. Porovnejte výsledky pro bílý a šedivý papír. Snímač LEGO robota Lego 10) Demonstrujte funkci optického reflexního snímače LEGO Poznámky k měření a vysvětlení: K bodu 1. V přípravku jsou použity rezistory R 2 a R 3 a dioda D 1, které mají pouze funkci ochrany proti nevhodnému zapojení. V obvodu napájení operačního zesilovače jsou navíc ve větvi +12 a -12 V také použity ochranné diody. Pro napájení operačního zesilovače je možno použít symetrické napětí +12 /-12 V nebo +15 /-15 V. K bodu 2. Postup:Použijte matný bílý papír a pozorujte změnu rozměru promítnuté optické stopy (červená kruhová stopa) v závislosti na vzdálenosti vysílače od stínítka (pozn. pro dobré pozorování je třeba odstínit paprsky světla okolního osvětlení.) Obr.2 Snímací hlava optického reflexního snímače E32- DC200 a její montáž K bodu 3. Velikost výstupního signálu odečítejte na číslicovém zobrazovači senzoru E3X- DA51-N (s jednoduchým zobrazovačem). Str. 2/11

Obr.3 Panel zesilovače E3X-DA51-N Posun bílé odrazné plochy se zajistí otáčením pohybovým šroubem. Jedna otáčka šroubu odpovídá posunu o 2,00 mm K bodu 4 Odraznou plochu umístěte do vzdálenosti 50 mm od snímače, zaznamenejte velikost signálu při snímání bílé odrazné plochy. Následně položte na odraznou plochu šedý papír a opět zaznamenejte velikost signálu. K bodu 5. Před snímačem přibližně ve vzdálenosti 1 cm pohybujte kolmo k ose snímače bílým papírem s černými čarami o šířce 1cm. Posouvejte objekt ve směru kolmém k ose snímače a sledujte změny výstupního signálu. K bodu 6 Odraznou plochou na pojezdu odsuňte směrem od snímače na vzdálenost cca. 100 mm. Před snímačem ve vzdálenosti přibližně 1 až 2 cm pohybujte příčně objektem s dírou. K bodu 7. Velikost výstupního signálu odečítejte na číslicovém zobrazovači zesilovače E3X-DA51-S (s dvojitým zobrazovačem) optického vláknového senzoru Obr. 4 Panel zesilovače E3X-DA51-S Snímací hlava E32 TC16 obsahuje dvě shodné části, z nichž jedna je použita jako vysílací a druhá jako přijímací. Obr. 5 Snímací hlava E32 TC16 (celá hlava obsahuje dva shodné bloky) a její použití Str. 3/11

Obr. 6 Výtah z katalogového listu E32 TC16 Obr. 7 Příklady vyhodnocení přítomnosti objektu o dané velikost pomocí E32- T16 Výklad k problematice optických snímačů s vlákny: Optický reflexní snímač s optickými vlákny pracující s difuzním odrazem má obdobný princip funkce, jako klasické varianty optického reflexního snímače. Podstatou jeho funkce je, že vysílač se zářičem ve formě LED (světloemitující diody) nebo IRED (infračervěně zářící diody vyzařující na vlnové délce obvykle v rozsahu 800 až 900 nm) ozařuje snímaný předmět s matným povrchem (fungujícím částečně jako difuzér rozptylující záření), který záření rozptyluje a odráží do směrem ke snímači. Malá část odraženého záření dopadající na snímač je zachycena senzorem tvořeným polovodičovou fotodiodou (v některých případech též fototranzistorem), která optické záření převádí na elektrický signál. Velikost tohoto signálu závisí na velikosti objektu, jeho vzdálenosti a stupni optické odrazivosti jeho povrchu. V případě snímače s optickými vlákny je před vysílač i před přijímač zařazeno optické vlákno, které tak umožňuje zmenšit rozměry vlastní aktivní části senzoru, která určuje místo, vzhledem ke kterému se vyhodnocuje poloha objektu. (V tomto i podobných snímačích se využívají plastická optická vlákna se skokovou změnou indexu lomu - step index. Díky použití plastu pro konstrukci vláken jsou tato relativně odolná a současně je možno je zkracovat na potřebnou délku uživatelsky při instalaci.) Místo optického zářiče tak představuje výstup optického vlákna napojeného na vysílač, místo senzoru pak určuje poloha vstupu vlákna napojeného na fotodiodu. Str. 4/11

Obr. 8 Optická vlákna v reflexním snímači a jejich napojení na zesilovač ( fy. Omron) Umístěním aktivních konců optických vláken vedle sebe se tak vytvoří optický reflexní snímač, jejich umístěním proti sobě s vhodnou mezerou se vytvoří snímač typu optická závora. Snímací hlava E32- T16 je specializovanou verzí optické závory, kde je uměle zvětšen prostor, v němž se vyhodnocuje přítomnost objektu. V případě E32- T16 to je rozměr 10 mm. U obvyklých snímačů typu optická závora se využívají pouze dvě jednoduchá vlákna, např. typu E32 - TC200, jejichž konce se umístí v ose proti sobě. Příčný rozměr (kolmo na spojnici konců obou vláken) snímacího prostoru je pak relativně malý a je omezen průměrem aktivní optické části vláken, tedy pod 1 mm. Obr. 9. Hlava E32- TC200 s optickým vláknem Na obr. 10 jsou znázorněny příklady snímače typu optická závora využívající optická vlákna. Obr.10 Příklady řešení optické závory s optickými vlákny Standardní hlava s optickým vláknem má dle obr. 11a relativně velký vyzařovací úhel. Díky tomu silně klesá intenzita záření se vzdáleností od vlákna, čímž je omezena pracovní délka závory sestavené z optických vláken. Pro zvýšení dosahu je možno optické vlákno dle obr. 11b doplnit kolimační čočkou, která zúží vyzařovací charakteristiku a tím se zmenší pokles intenzity se vzdáleností, díky čemuž je pak možno použít větší vzdálenost mezi vysílačem a přijímačem optické závory. Str. 5/11

Obr. 11 Vyzařování optického vlákna a) samotného, b) doplněného kolimační optikou Typické využití optických snímačů je dvouhodnotové, kdy se velikost signálu porovnává s nastavenou prahovou úrovní a výstup snímače jsou typu ON OFF. (V některých případech je možno využít i analogový spojitý výstup, jako je tomu i v případě E3X-DA51- N, který ve spolupráci se snímací hlavou E32- T16 může být použit jako snímací člen zpětnovazebního systému regulace polohy pásu (dle informace firmy Limasoft). Obr. 12. Výstupy zesilovače E3X-DA51-N Na obr. 12 jsou znázorněny výstupy zesilovače E3X-DA51-N. Binární výstup snímače (černý vodič -- black) je typu PNP. Obr. 13 Zapojení zesilovače s výstupy typu NPN V některých snímačích se využívají výstupy typu NPN, jako je např. též na obr. 13. Výstupy typu NPN, případně PNP umožňují přímou spolupráci snímačů s programovatelným automatem PLC (Programmable Logic Controller) použitým pro řízení technologického procesou. Binární výstupy snímačů typu NPN, či PNP se standardně používají i u dalších druhů snímačů, např. indukčních, ultrazvukových. Str. 6/11

Výklad k bodu 9. - problematice optického triangulačního snímače: Optoelekrický snímač Sharp GP2Y0A21YK0F pracuje na triangulačním principu, který se v průmyslových senzorech také často využívá. Obsahuje vysílač (zářič) a přijímač se speciální fotodiodou ve formě PSD. Záření vycházející z ifračerveně zářící diody (IRED) je pomocí kolimační optiky promítáno na povrch překážky, kde vytvoří měřicí optickou stopu, která tak slouží jako jistá forma značky. V případě senzoru je GP2Y0A21YK0F průměr této stopy přibližně pod 1 cm. Pokuste se případně fotoaparátem ve svém mobilním telefonu zachytit obraz této stopy. Jde to však pouze u některých typů a závisí to na konstrukci senzoru. (Více se tato problematika obrazových senzorů prezentuje v předmětu A3M38VBM, případně A0M38OSE.) PSD IRED Obr. 14 Uspořádání triangulačního snímače Vedle vysílače je umístěn polohově citlivý senzor (PSD - position sensitive device) na jehož povrch se pomocí další čočky promítá obraz měřicí optické stopy. Se změnou vzdálenosti povrchu překážky se také posouvá poloha obrazu optické stopy, která je promítnuta na PSD. Použitý 1D (jednodimenzionální, nebo též lineární) PSD má dva výstupní proudové signály i a a i b. Představuje tak velkoplošnou fotodiodu jejíž dva výstupní proudové signály se vyhodnocují. Absolutní velikost těchto výstupních signálů i a a i b se mění s celkovou intenzitou (zářivým tokem) optického záření promítnutého na povrch PSD. Relativní velikost i a a i b (vůči sobě navzájem) výstupních signálů PSD závisí na poloze středu (resp. optického těžiště) promítnutého obrazu na povrch PSD. Pokud leží uprostřed, jsou oba signály i a a i b stejné. S posunem k jednomu nebo druhému kraji PSD se zvětšuje signál výstupu u příslušného okraje PSD a z relativní velikosti obou signálů se tak může určit poloha obrazu. i a obr1 obr2 poloha 1 poloha 2 i b Obr. 15 Podstata funkce triangulačního snímače Pro potlačení působení okolního osvětlení je před PSD umístěna čočka s funkci optického filtru propouštějící pouze infračervené záření. Dále se používá impulsní modulace vysílaného záření, která ve spolupráci s funkcí obvodů zpracování dále potlačuje působení okolního optického záření. Navíc impulsní modulace krátkými impulsy umožňuje použít větší impulsní zářivý tok IRED, který by jinak v kontinuálním provozu vedl k její destrukci. Str. 7/11

Zásadní odlišností funkce triangulačního senzoru oproti reflexnímu snímači s optickými vlákny je, že ten, jako intenzitní systém, vyhodnocuje přiblížení objektu podle změny intenzity záření, dopadajícího na přijímací vlákno. Pokud má povrch sledovaného objektu menší odrazivost, nebo menší plochu, jeví se takovému snímači ve větší vzdálenosti. Naopak triangulační snímač vyhodnocuje polohu sledovaného objektu podle polohy jeho obrazu promítnutého na polohově citlivý senzor, případně senzor CCD, či senzor CMOS, a téměř zde nezávisí určení vzdálenosti na stupni odrazivosti povrchu. Snížená odrazivost povrchu objektu na horní mezi vzdálenosti, v níž může senzor objekt detekovat, se projeví snížením absolutní velikosti signálů i a a i b a tím i ke zvětšení nejistoty a šumům při určování polohy. Obr. 16 Sestava s optickými vláknovými snímači Omron a triangulačním snímačem Na obr. 16 je celková sestava přípravku s vláknovými snímači Omron. Hlavice s optickými vláknovými snímači jsou pevně uchyceny k základně. Otáčení šroubem se pohybuje odrazná plocha kolmá na osu reflexního snímače, současně se pohybuje i clonka v prostoru optické závory s hlavou E32 T16. Tiangulační snímač GP2Y0A21YK0F je umístěn v horní části nosiče. Napájí se napětím + 5 V, které se získává ze společného napájecího napětí přípravku pomocí stabilizátoru LM7805 s předřazenou diodou chránící jej proti působení přepólování. Na jeho výstupu je zařazen ochranný rezistor s odporem 10 kohmů. Napájení celého přípravku je možné stejnosměrným napětím +12 V nebo + 15 V. K bodu 10. Senzor LEGO Demonstrace funkce optického reflexního snímače LEGO Ověřte činnost optického snímače LEGO světelný senzor ve funkci senzoru přiblížení. Vyzkoušejte použití NXT světelného senzoru pro detekci přiblížení překážky ve formě bílého papíru o rozměru 100 x 80 mm, zhodnoťte vliv intenzity okolního osvětlení v jednotlivých režimech činnosti senzoru na spolehlivost detekce překážky. Spuštění programu: připojte NXT kostku k napájecímu zdroji (12VDC), zapněte oranžovým tlačítkem, opakovaným stiskem oranžového tlačítka spusťte program SME. Funkce senzoru: 1. Měří okolní osvětlení (LED vypnutá) 2. Měří okolní osvětlení + reflexi od LED diody (LED zapnutá) 3. Střídají se režimy LED zapnuta-vypnuta, na displeji jsou zobrazeny tři údaje: OFF (měří osvětlení), ON (osvětlení + reflexe), DIFF (rozdíl) Str. 8/11

Mezi jednotlivými funkcemi se přepíná dotykovým snímačem připojeným na senzorový port 2 (vpravo od NXT kostky). a) Na displeji se zobrazuje přímo hodnota (0-1023) z 10-ti bitového AD převodníku procesoru ATMEGA48, přičemž elektrickým zapojením senzoru je dáno, že nižší výstupní hodnota znamená vyšší osvětlení senzoru (fototranzistoru). b) Za účelem zvýšení stability údaje na displeji se naměřené hodnoty průměrují (256x ve statickém režimu, 8x při blikání). Potlačí se tak vliv zářivkového osvětlení (intenzita osvětlení modulována frekvencí 100Hz) i elektrický šum (spínaný zdroj, vliv procesoru...). Konkrétní implementace je patrná z přiloženého zdrojového kódu. Obr. 17 Schéma optického senzoru LEGO MINDSTORMS NXT Výpis programu řídicí jednotky LEGO pro spolupráci s optickým senzorem, autor. Ing. V. Petrucha, 2011. // Senzory a mereni - light sensor demo // unsigned char state = 0; unsigned char ready_count = 0; bool ready_flag = false; bool blink_flag = false; long avg; long avg_0; long avg_1; int i; string msg; #define TOUCH_WAIT 40 task main(){ Str. 9/11

ClearScreen(); TextOut(0, LCD_LINE1, "SENZORY A MERENI"); TextOut(0, LCD_LINE3, "LED OFF"); TextOut(0, LCD_LINE5, "out:"); SetSensorLight(IN_1,false); SetSensorTouch(IN_2); while(1){ //init if(sensor_2 && ready_flag){ state++; if(state > 2){state = 0;}; ready_flag = 0; ready_count = 0; switch(state){ case 0: blink_flag = false; ClearScreen(); Wait(10); TextOut(0, LCD_LINE1, "SENZORY A MERENI"); TextOut(0, LCD_LINE3, "LED OFF"); TextOut(0, LCD_LINE5, "out:"); SetSensorLight(IN_1,false); break; case 1: blink_flag = false; ClearScreen(); Wait(10); TextOut(0, LCD_LINE1, "SENZORY A MERENI"); TextOut(0, LCD_LINE3, "LED ON"); TextOut(0, LCD_LINE5, "out:"); SetSensorLight(IN_1,true); break; case 2: ClearScreen(); Wait(10); TextOut(0, LCD_LINE1, "SENZORY A MERENI"); TextOut(0, LCD_LINE3, "LED BLINKING"); TextOut(0, LCD_LINE5, "out OFF:"); TextOut(0, LCD_LINE6, "out ON:"); TextOut(0, LCD_LINE7, "out DIFF:"); blink_flag = true; break; } }//if(sensor_2 && ready_flag){ ready_count++; if (ready_count > TOUCH_WAIT){ ready_flag = true; ready_count = 0; }; //(ready_count > TOUCH_WAIT) if (blink_flag){ avg_0=0; avg_1=1; for(i=0;i<8;i++){ ready_count +=3; //filtering Str. 10/11

SetSensorLight(IN_1,true); Wait(4); avg_1 += SensorRaw(S1); Wait(1); SetSensorLight(IN_1,false); Wait(4); avg_0 += SensorRaw(S1); Wait(1); }//for(i=0;i<8;i++) avg_0 /=8; avg_1 /=8; sprintf(msg, "%+04d", (avg_0)); TextOut(60, LCD_LINE5, msg); //LED OFF sprintf(msg, "%+04d", (avg_1)); TextOut(60, LCD_LINE6, msg); //LED ON sprintf(msg, "%+04d", (avg_0 - avg_1)); TextOut(60, LCD_LINE7, msg); //DIFFERENCE }else{ //!(blink_flag) avg=0; for(i=0;i<256;i++){ //filtering avg += SensorRaw(S1); }//for(i=0;i<256;i++) avg /=256; sprintf(msg, "%+04d", (avg)); TextOut(30, LCD_LINE5, msg); }; //(blink_flag) }//while(1) }//main() Str. 11/11