Úvod: 4. Optické senzory Fotodioda slouží pro převod optického záření na elektrický signál a je základem všech optoelektronických snímačů polohy, kde se vyhodnocuje velikost dopadajícího optického záření. Fotodiody se využívají také pro vyhodnocení osvětlení - např. v mobilním telefonu či tabletu pro automatickou regulaci jasu zobrazovače. Výstupní proud fotodiody nakrátko téměř lineárně závisí na intenzitě ozáření, proto se obvykle využívá převodník proud napětí s operačním zesilovačem, který je též v této úloze použit. Existuje několik druhů optoelektronických snímačů polohy. Může to být např. optický reflexní snímač (bez nebo s polarizací světla) a snímač typu optická závora. Tyto senzory najdeme běžně v průmyslu (tam, kde to podmínky dovolují málo prachu, nestříkající kapaliny apod.) i v budovách (splachování WC, automatické vodovodní baterie). Pro orientaci autonomních robotů i v průmyslové automatizaci je často potřeba určit vzdálenost překážky, přičemž informace nesmí záviset na odrazivosti povrchu objektu. Zde se proto využívají triangulační snímače, kde změřená vzdálenost ve velkém rozmezí nezáleží na odrazivosti povrchu objektu, ale závisí jen na jeho vzdálenosti. Při konstrukci optoelektronických snímačů je třeba dbát na to, aby nebyly citlivé na okolní a jiné rušivé osvětlení. To se dá zajistit například modulací světelného zdroje nebo použitím zdroje IR (infra-red infračervené) záření a patřičného filtru. Vlevo: jednotlivé fotodiody (BWP34), uprostřed: LED a fotodioda pro optický reflexní senzor, vpravo: průmyslové optické senzory Str. 1/11
Otázky k úloze (domácí příprava): 4a. Měření parametrů fotodiody Jaký je vstupní odpor převodníku I U dle obr. 1 a jak určíte velikosti proudu IFD1 z napětí UOZ? Jak lze určit výstupní odpor zdroje signálu, znáte-li jeho výstupní napětí naprázdno a proud nakrátko? Jak lze určit výstupní odpor zdroje signálu na základě změřené zatěžovací charakteristiky? Úkoly měření: 1. Měření výstupního proudu a napětí fotodiody 1.1. Změřte velikost výstupního signálu fotodiody FD1 v členu IL300 v závislosti na velikosti budicího proudu IRED (infračervené diody), jejíž záření dopadá na fotodiodu. Měřte v rozmezí proudu IRED = 0 až 12 ma (např. pro 0, 2, 4, 6, 8, 10, 12 ma). Pro měření proudu nakrátko IFD1 využijte převodník proud/napětí s operačním zesilovačem v zapojení dle obr. 1. Naměřené hodnoty UOZ a vypočtené hodnoty proudu IFD1 zapište do tabulky. 1.2 Pro stejné velikosti budicího proudu IRED jako v předchozím případě určete velikost výstupního napětí naprázdno fotodiody FD2 připojené na výstup UFOT (viz obr. 1). Pro měření použijte číslicový voltmetr se vstupním odporem 10 MΩ. Naměřené hodnoty UFOT zapište do tabulky. 2. Určení vnitřního odporu zdroje signálu Určete velikost ochranného rezistoru R3, který se v zapojení chová jako vnitřní odpor zdroje signálu UOZ (vnitřní odpor operačního zesilovače je v daném zapojení blízký nule). Nastavte proud IRED = 12 ma. Hodnotu rezistoru R3 vypočtěte ze změřených hodnot napětí UOZ naprázdno a při zatížení rezistorem 80 k. Odvoďte vzorec pro výpočet. Správnost výsledku ověřte experimentálně. BK126 + 12 V 0 V - 12 V 12 V + 12 V 0 (GND) R 120 k Obr. 1. Zapojení pro měření malých proudů Poznámky k měření: K bodu 1: V přípravku je použita dioda D1 a rezistory R2 a R3, které mají pouze funkci ochrany proti nevhodnému zapojení. V obvodu napájení operačního zesilovače jsou navíc ve větvi +12 V a -12 V také použity ochranné diody. Pro napájení operačního zesilovače je možno použít symetrické napětí +12 /-12 V nebo +15 /-15 V. Str. 2/11
K bodu 2: Ověření správnosti výsledku výstupní odpor zdroje je možné též určit tak, že se snižuje hodnota zatěžovacího odporu (odporové dekády) tak dlouho, až na výstupu poklesne napětí na polovinu. Tuto metodu se zátěží odporem rovným velikosti vnitřního odporu nelze však použít, pokud zdroj není možno zatěžovat libovolně, např. pokud by se měl určit vnitřní odpor akumulátoru. Zde je možné použít pouze připojení takové odporové zátěže, jíž poteče proud menší než přípustný maximální zatěžovací proud. Toto se používá při určení stavu akumulátoru a stupně jeho nabití. Nabitý a téměř vybitý akumulátor mají sice naprázdno (bez zatížení) velmi blízké napětí, avšak liší se jejich vnitřní odpory. Str. 3/11
Otázky k úloze (domácí příprava): 4b. Optoelektronické snímače polohy Jaké hlavní nectnosti má jednoduchý optický reflexní snímač polohy? Proč se používá modulace světelného zdroje a průměrování? Co je hlavní výhoda triangulačního snímače vzdálenosti? Jak je v triangulačním snímači vzdálenosti zajištěno, že nereaguje na rušivé okolní světlo? Jak se ve výstupní informaci u optického reflexního snímače a u triangulačního snímače projeví různá odrazivost povrhu sledovaného objektu? Odpověď zdůvodněte. Úkoly měření: 1. Snímače polohy s optickými vlákny 1.1 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. 1.2 Určete závislost výstupního signálu optické závory se senzorovou hlavou E32 TC16 na stupni jejího zaclonění. Určete převodní konstantu kp = xcl / Noz závislosti Noz = f ( xcl) ve Vámi zvolené lineární oblasti, kde xcl je velikost posunu clonky v mm a Noz je údaj na zobrazovači zesilovače E3X-DA51-S. Promítněte optickou stopu z vysílací části E32 TC16 na papír a popište vzhled stopy. 1.3 Demonstrujte použití snímače (se senzorovou hlavou E32 TC16) pro rozlišení dvou válcových objektů o průměru jednotek milimetrů, které budou postupně vkládány do středu prostoru snímací hlavy. Vyhodnoťte změnu signálu senzoru a s využitím převodní konstanty kp určete průměry těchto objektů. 1.4 Pomocí přípravku s fotodiodou a osciloskopu změřte s jakou frekvencí a střídou je modulován optický signál ve snímačích polohy. Průběh si zaznamenejte. 1.5 Seznamte se s funkcí reflexního senzoru s polarizovaným světlem, graficky naznačte princip funkce. Pomocí polarizačního filtru se přesvědčte, že výstupní světlo ze senzoru je polarizované (intenzita světla se mění dle úhlového natočení filtru). 2. Triangulační snímač 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). 3. Snímač LEGO robota 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. Poznámky k měření: K bodu 1.1: Velikost výstupního signálu odečítejte na číslicovém zobrazovači senzoru E3X DA51-N (s jednoduchým zobrazovačem). Posun bílé odrazné plochy se zajistí otáčením pohybovým šroubem. Jedna otáčka šroubu odpovídá posunu o 2,00 mm Str. 4/11
Obr. 1. Snímací hlava optického reflexního snímače E32- DC200 a její montáž Obr. 2. Panel zesilovače E3X-DA51-N K bodu 1.2: Velikost výstupního signálu odečítejte na číslicovém zobrazovači zesilovače E3X-DA51-S (s dvojitým zobrazovačem) optického vláknového senzoru Obr. 3. 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. 4. Snímací hlava E32 TC16 (celá hlava obsahuje dva shodné bloky) a její použití Str. 5/11
Obr. 5. Výtah z katalogového listu E32 TC16 Obr. 6. Příklady vyhodnocení přítomnosti objektu o dané velikost pomocí E32- T16 K bodu 1.5: V reflexních senzorech s odrazkou se používají dva polarizační filtry. První je před vysílačem s LED, druhý je před přijímačem s fotodiodou a je pootočen od 90 stupňů oproti prvnímu filtru. Díky tomu je vysílané světlo polarizované v rovině určené prvním filtrem. Při dopadu na odrazku s miniaturními koutovými odražeči se rovina polarizace světla otočí o 90 stupňů a takto polarizované světlo pak může projít i druhým filtrem do přijímače. Pokud by byl místo odrazky použit jiný materiál, např. bílý papír nebo zrcadlo, nebude splněna podmínka otočení roviny polarizace o 90 stupňů a snímač nebude na světlo reagovat. Experimentem se dvěma na sebe přiloženými polarizačními filtry při jejich vzájemném natáčení je možno demonstrovat i jejich funkci ve snímači. Str. 6/11
K bodu 3: Senzor LEGO Demonstrace funkce optického reflexního snímače LEGO 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). 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-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 (256 x ve statickém režimu, 8 x při blikání). Potlačí se tak vliv zářivkového osvětlení (intenzita osvětlení modulována frekvencí 100 Hz) i elektrický šum (spínaný zdroj, vliv procesoru...). Konkrétní implementace je patrná z přiloženého zdrojového kódu. Str. 7/11
Obr. 7. Schéma optického senzoru LEGO MINDSTORMS NXT Optické snímače 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. Obr. 8. Optická vlákna v reflexním snímači a jejich napojení na zesilovač ( fy. Omron) Str. 8/11
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. Na obr. 10 jsou znázorněny příklady snímače typu optická závora využívající optická vlákna. Obr. 9. Hlava E32- TC200 s optickým vláknem 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. a) samotného b) doplněného kolimační optikou Obr. 11. Vyzařování optického vlákna Str. 9/11
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). Na obr. 12 jsou znázorněny výstupy zesilovače E3X-DA51-N. Binární výstup snímače (černý vodič -- black) je typu PNP. Obr. 12. Výstupy zesilovače E3X-DA51-N 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. Optické triangulační 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.) Str. 10/11
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. 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. Str. 11/11
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 sériovou diodou chránící jej proti působení přepólování. Výstup snímače připojen přes ochranný rezistor s odporem 10 k na žlutou zdířku, zelená svorka je připojena na GND snímače. Napájení celého přípravku je možné stejnosměrným napětím +12 V nebo + 15 V přivedeným na rudou zdířku, černá zdířka je připojena na 0 V (GND). Str. 12/11
Výpis programu řídicí jednotky LEGO pro spolupráci s optickým senzorem (autor Ing. V. Petrucha, Ph.D.) // 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(){ 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"); Str. 13/11
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++){ //filtering ready_count +=3; 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. 14/11