Седалищев В.Н. Методы и средства измерений неэлектрических величин
Подождите немного. Документ загружается.
Другими достоинствами МИР является их низкая стоимость, очень малая
потребляемая мощность (десятки микроватт).
Устройства данного типа применяются в измерителях расстояний, в
детекторах обнаружения, в датчиках уровня, в автоматизированных
системах, роботах, медицинских инструментах, системах вооружения и т.п.
СВЧ датчики являются альтернативой другим датчикам, когда требуется
контролировать большие площади и работать
в широком температурном
диапазоне в сильно зашумленных условиях: при ветре, акустических
помехах, в тумане, в пыли, влажности и т.д. Принцип действия СВЧ датчиков
основан на излучении электромагнитных радиочастотных волн в сторону
охраняемой зоны. Самыми распространенными частотами являются частоты
10, 525 ГГц (Х - диапазон) и 24, 125 ГГц (К - диапазон). Мощность излучения
должна быть
достаточно низкой, чтобы не причинять вред здоровью людей,
длина волны должна быть достаточно большой, чтобы свободно проходить
сквозь большинство частиц, загрязняющих воздух, и достаточно короткой,
чтобы отражаться от больших объектов.
Рис. 2.2 Микроволновые детекторы движения объектов.
Для определения направления движения объекта (навстречу датчику или от
него) датчик должен быть оснащен еще одним смесительным диодом.
Второй диод располагается в волноводе таким образом, что доплеровские
сигналы от двух диодов отличаются по фазе на четверть длины волны или на
90°. Выходные сигналы обоих диодов усиливаются
отдельно друг от друга и
преобразуются в прямоугольные импульсы, которые далее анализируются в
логическом устройстве, представляющем собой цифровой дискриминатор
фаз, определяющий направление движения объекта. Такие детекторы в
основном применяются в устройствах автоматического открывания дверей и
управления транспортными потоками.
, (2.1)
(2.2)
(2.3)
(2.4)
Рис. 2.3 Блок – схема (А) и временные диаграммы (Б) микроволнового
допплеровского датчика движения с функцией определения направления
перемещения.
На основании микромощного импульсного радара реализуют достаточно
эффективные детекторы движения. Достоинством таких датчиков являются
низкое потребление мощности и почти полная незаметность для
злоумышленников. Такой радар может быть спрятан внутри строительных
конструкций и, благодаря своей низкой излучающей мощности, не
превышающей мощность естественного теплового шума, его трудно
обнаружить при помощи электронных устройств.
2.2 Емкостные датчики присутствия объекта
Человеческое тело представляет собой среду с высокой диэлектрической
проницаемостью. Это изменение емкости может быть зафиксировано при
помощи соответствующей аппаратуры, и использоваться для детектирования
присутствия людей в охраняемой зоне.
Рис. 2.4 Емкостной датчик присутствия объекта.
(2.5)
На рис. 2.4 показана емкостная охранная система для автомобиля.
Чувствительный элемент вмонтирован в сиденье автомобиля. Он может быть
изготовлен в виде металлической пластины или сетки, электропроводной
ткани и т.д. Чувствительный элемент формирует одну из пластин
конденсатора. Второй пластиной конденсатора является корпус автомобиля.
В качестве эталонного конденсатора применяется постоянный или
переменный конденсатор
. Дифференциальный датчик управляется
генератором прямоугольных импульсов.
Рис. 2.5 Емкостной датчик для системы охраны автомобиля.
2.3 Электростатические датчики движения объектов
Любой объект может накапливать на своей поверхности статическое
электричество. Заряды на поверхности появляются вследствие
электростатических явлений. В воздухе находятся заряженные ионы, которые
при попадании на тело человека меняют его заряд. В идеальных статических
условиях все объекты не заряжены, их объемные заряды равны нулю. Но в
реальных условиях в любом объекте, изолированном
от земли, может
возникнуть разбаланс объемного заряда. Между электродами и
окружающими объектами устанавливается электрическое поле, если хотя бы
один из них является носителем зарядов. Другими словами, все
распределенные конденсаторы, сформированные между электродом и
соседними объектами, заряжаются статическими или слабо меняющимися
электрическими полями. Когда вблизи электрода нет движущихся объектов
электрическое поле
там либо стационарно, либо меняется сравнительно
медленно. Если носитель заряда меняет свое положение, статическое
электрическое поле нарушается. Это приводит к перераспределению зарядов
между переходными конденсаторами, включая те, которые сформированы
между входным электродом и окружающими объектами. Величина зарядов
на поверхности объектов зависит от их природы и атмосферных условий.
Например, человек в сухой
одежде переносит в миллион раз больший заряд,
чем человек в мокрой одежде, вошедший после дождя. Поэтому электронная
схема должна быть адаптирована под конкретные условия, в которых ей
предстоит работать. Таким образом, статическое электричество используется
для формирования переменных электрических сигналов при детектировании
движения объектов.
Рис. 2.6 Однополярный электростатический датчик движения объекта.
При движении человека напряженность электрического поля изменяется. Это
приводит к появлению на входном конденсаторе электрического заряда, что
сказывается на величине напряжения на резисторе, которое через
разделительный конденсатор поступает на усилитель и далее на вход
компаратора. Компаратор сравнивает пришедший сигнал с двумя
пороговыми уровнями.
Существует несколько основных источников помех для данного типа
датчиков: наводки от электрических сетей и силовых установок,
электромагнитные поля от радиостанций, молнии и др.
2.4 Оптоэлектронные датчики движения объектов
Рис. 2.7 Оптическая система контроля перемещения объекта.
Оптоэлектронные датчики движения являются наиболее распространенными
в системах охранной сигнализации. Они используют в основном ИК-
диапазон излучения. Работают на расстояниях до нескольких сот метров.
Оптоэлектронные, ультразвуковые и микроволновые датчики имеют разные
области применения. В настоящее время оптоэлектронные устройства
применяются, в основном, для качественного, а
не количественного
обнаружения объектов. Они не могут отличить один движущийся объект от
другого, поэтому не используются для точного определения расстояния до
объекта и измерения его скорости.
Основные области применения таких датчиков – охранные системы,
устройства управления подачей энергии. А также для таких систем, как
«умные дома», в которых они управляют различными
бытовыми приборами.
Также их используют в роботах, игрушках и т.п.
Основным их достоинством является простота и низкая стоимость.
2.5 Оптоэлектроныые датчики движения ИК-диапазона
Большинство объектов излучают электромагнитные волны только дальнего
ИК-диапазона. Поэтому для работы данной группы датчиков, как правило,
необходим дополнительный источник света.
Рис. 2.8 Датчик для контроля перемещения объекта, работающий в видимом
и ближнем ИК диапазонах спектра.
А – чувствительная поверхность фоторезистора, Б – зеркало,
В - точечная линза.
Перемещение объектов меняет оптическую контрастность изображения на
фоторезисторе, что приводит к изменению его сопротивления, и к модуляции
электрического тока через него. Этот сигнал подается на компаратор, где
сравнивается с заранее установленным пороговым уровнем.
Другая разновидность детекторов движения работает в оптическом
диапазоне тепловых излучений (дальний ИК-диапазон).
Рис. 2.9 Дифференциальный пироэлектрический датчик контроля
перемещения объекта.
Такие датчики реагируют на изменение теплового потока, поступающего на
чувствительный элемент. Для этого важно, чтобы температура объекта
отличалась от температуры окружающей среды. Многие объекты являются
неметаллами, поэтому излучаемая ими тепловая энергия распределяется
достаточно равномерно в виде полусферы.
В таких датчиках используются три типа чувствительных
элементов:
терморезисторы, термоэлементы, пироэлектрики. Но благодаря своей
простоте, низкой стоимости, высокой чувствительности и широкому
диапазону, в датчиках движения чаще всего применяют пироэлектрики. Для
того чтобы разделить заряды, формируемые тепловым и пьезоэлектрическим
способами, датчики изготавливают дифференциальными.
Чувствительный элемент состоит из переднего (верхнего) электрода и двух
нижних электродов, нанесенных на общую подложку.
Тепловой поток от
движущегося объекта слева направо, формируя переменное напряжение на
резисторе R.
Рис. 2.10 Датчик движения, работающий в дальнем ИК-диапазоне спектра, с
использованием пироэлектрического преобразователя.
Помимо чувствительных элементов в состав датчика входят фокусирующие
устройства (параболические зеркала, линзы Френеля).
Рис. 2.11 Формирование теплового образа объекта на поверхности
чувствительного элемента ПИК – датчика.
Фотоэлектрические датчики,
используемые для автоматизации технологических процессов
Выбор типа фотоэлектрического датчика.
Оптическая схема обычных фотоэлектрических датчиков имеет три
основных разновидности: это работа на просвет, на обратное отражение и на
рассеянное отражение.
Работа на просвет.
В этом типе датчиков приемник и излучатель расположены напротив
друг друга таким
образом, что световой поток из излучателя попадает
непосредственно в приемник. Положение объекта определяется, когда он
перекрывает луч от излучателя в приемник. Настройка взаимного
расположения датчиков заключается в том, что бы максимальное количество
света, от излучателя попадало бы в приемник. Это означает, что при
расположении приемника и излучателя друг напротив друга
свет от
последнего попадал бы в центр поля зрения приемника. В ранних моделях,
когда датчики использовали немодулированное излучение, требование по
настройке взаимного расположения пары излучатель – приемник сослужило
этому виду датчиков плохую службу. Однако сегодня, имея интенсивные и
модулированные излучатели, проводить настройку датчиков, работающих на
просвет, становится совсем несложным делом.
Под
рабочим диапазоном датчика этого типа подразумевается
максимальное расстояние между излучателем и приемником при котором
может происходить работа датчика. Эффективный луч датчика, это часть
полного луча, излучаемого излучателем, которая необходима для надежного
срабатывания, когда объект перекрывает луч. Эффективный луч датчиков,
работающих на просвет, это цилиндр, соединяющий линзы излучателя и
приемника. Это может
быть так же конус, если линзы излучателя и
приемника имеют разный диаметр. Эффективный луч не может выходить за
пределы диаграммы направленности излучателя и поля зрения приемника.
Эффективный луч стандартных фотоэлектрических датчиков слишком
большой, что бы обнаруживать малые объекты, проверять малые профили и
позиционировать объекты с высокой точностью. В таких случаях линзы
датчика могут быть частично перекрыты маской для уменьшения
эффективного размера луча. Некоторые модели фотоэлектрических датчиков,
работающих на просвет
, имеют специальные адаптеры для этого. Такой
адаптер может быть изготовлен если просверлить или вырезать отверстие
или щель в тонкой металлической пластине и расположить ее напротив
центра линз. При выборе адаптера стоит помнить, что современные
фотоэлектрические датчики имеют интенсивное модулированное излучение,
которое может проникать через множество неметаллических материалов под
различными углами.
Однако использование маски снижает энергию луча датчика
пропорционально снижению площади линз, которые перекрывает датчик. К
примеру, если диаметр линзы 1 см., а маска уменьшает этот размер до ¼ см.,
то доля световой энергии, проходящей через маску, составляет (¼)2 = 1/16 от
энергии, приходившей на линзу диаметром 1 см. Потери энергии
увеличиваются в два раза, если маска
установлена как на излучателе, так и на
приемнике.
Прямоугольные щелевые маски в меньшей степени снижают световую
энергию от датчика, чем круглые маски того же диаметра. Поэтому по
возможности стоит применять именно прямоугольные маски.
Прямоугольные маски применяются тогда, когда объект проходит через луч
в определенном положении, например в задаче определения края
объекта.
Однако, когда небольшой объект проходит через луч датчика в произвольном
положении, применяется круглая маска.
Если объект, положение которого необходимо определить всегда
проходит близко к приемнику или к излучателю, то маску можно поставить
только на один из них. В этом случае эффективный луч датчика приобретает
форму конуса. Однако возможно совместить
необходимость иметь большую
площадь линзы датчика и малый размер эффективного луча для определения
положения самых малых объектов. Наиболее простым путем такого
совмещения является использование волоконной оптики в
фотоэлектрических датчиках, работающих на просвет. Модулированные
светодиоды высокой мощности, используемые в некоторых
фотоэлектрических датчиках, могут создавать флуктуации световой энергии
вокруг объекта равные или несколько
большие, чем эффективный луч. Это
еще один повод для того, что бы проверить, что размер эффективного луча
датчика меньше размеров объекта. Использование лазерных диодов в
излучателях датчиков, работающих на просвет, другая альтернатива
применению щелевых масок. Лазерные датчики сами по себе имеют узкий
луч во всем рабочем диапазоне. Они применяются для
позиционирования
малых объектов и для прецизионного определения положения объектов.