Совершенствование фотоэлектрических преобразователей для контроля механических перемещений

Актуальность темы

Развитие современного промышленного производства и строительной индустрии характеризуется повышением требований к качеству выпускаемой продукции, выполнение которых позволяет обеспечить ее конкурентоспособность по сравнению с зарубежными аналогами. Особое внимание в этом плане отводится фотоэлектрическим приборам, применяемым для неразрушающего бесконтактного контроля механических перемещений и вибрационных колебаний. Такая аппаратура используется при прочностных испытаниях железобетонных изделий и строительных конструкций, выполняемых вибрационным методом. Устройства фотоэлектрического контроля применяют для оценки чистоты поверхности и размеров выпускаемых деталей в области точного приборостроения, в системах позиционирования инструментов станков с числовым программным управлением, для контроля допустимой вибрации промышленного оборудования и т. п.

Широкое распространение фотоэлектрические устройства бесконтактного контроля получили и в ряде других областей: в системах охранной и пожарной сигнализации, в медицинской физиотерапии, в лазерной фотометрии, в газовой и жидкостной хроматографии, а также в системах контроля за-дымленности и запыленности производственных помещений, в современных системах волоконно-оптической связи и т. п.

Независимо от областей применения, основными требованиями к любым фотоэлектрическим преобразователям являются: обеспечение высокой чувствительности к контролируемым величинам, высокого быстродействия и линейности световой характеристики при минимальных аппаратурных затратах.

Благодаря развитию технологии полупроводникового производства в последнее время на два-три порядка улучшены параметры фотодиодов: тем-новой ток уменьшен от 1 мкА до 1. 5 нА, задержка времени срабатывания — от 10 мкс до 1.4 не, а световая чувствительность повышена в 2 — 3 раза. В то же время схемотехнические способы преобразования фототока в напряжение практически не изменились. Для получения линейной измерительной характеристики либо подают на фотодиод обратное напряжение через резистор нагрузки (работа в фотодгюдном режиме), либо включают фотодиод на входе операционного усилителя с резистором в цепи отрицательной обратной связи, преобразующим фототок в напряжение (работа в фотоволыпаическом режиме или в режиме короткозамкнутой нагрузки). При любом режиме работы фотодиодов чувствительность фотоэлектрических преобразователей ограничивается максимальными номиналами применяемых резисторов, увеличение которых практически приводит к повышению уровня шума и снижению чувствительности и помехоустойчивости аппаратуры контроля.

Учитывая высокие технические характеристики современных фотодиодов и операционных усилителей, имеется реальная возможность повышения чувствительности фотоэлектрических приборов контроля с обеспечением их работы в наноамперном диапазоне фототока. Такая возможность заключается в использовании способов автоматической коррекции погрешностей, широко применяемых в прецизионной цифровой измерительной аппаратуре.

Исследования в области фотоэлектрического преобразования базируются на фундаментальных работах известных ученых, в том числе Г. Р. Герца, открывшего в 1887 г. явление фотоэффекта, результатах исследований Столетова А. Г., а также современных отечественных и зарубежных ученых: Загорского Я. Т., Котюка А. Ф., Малинина В. В., Слюсарева Г. В., Авдошина Е. С., Воловича Г. И., Хоровица П. и других, которые обосновали теоретическую возможность и ограничения линейности преобразования световых параметров в эквивалентные величины электрического тока и напряжения.

Проблема фотоэлектрического контроля механических перемещений и вибрационных колебаний заключается в необходимости решения нескольких взаимосвязанных задач. Первая из них заключается в повышении чувствительности и расширении динамического диапазона фотоэлектрического пре-. образования, вторая — в обеспечении линейности преобразования механических перемещений в модуляцию светового потока, а третья задача связана с рациональным выбором и оптимизацией параметров источников излучения.

Учитывая, что повышение качества выпускаемой продукции и строительных конструкций невозможно без совершенствования аппаратуры фотоэлектрического контроля, то решение этих задач необходимо для фотоэлектрических преобразователей различного функционального назначения. При этом особого внимания заслуживает научная задача повышения чувствительности и расширения динамического диапазона аппаратуры фотоэлектрического контроля. Этим и характеризуется актуальность темы исследований.

Объектом исследования в работе являются приборы фотоэлектрического контроля параметров механических перемещений и колебаний.

Предмет исследования — активные преобразователи механических перемещений в напряжение и частоту импульсов.

Целью диссертагрюнной работы является повышение чувствительности и линейности фотоэлектрического преобразования, позволяющего увеличить расстояние до объектов контроля и обеспечить универсальность применения фотодатчиков механических перемещений и вибрационных колебаний.

К основным задачам исследований относятся:

— разработка преобразователей перемещений и вибрационных колебаний в модуляцию светового потока на основе лазерных излучателей и фотодиодов с разной формой светочувствительной поверхности для улучшения характеристик фотоэлектрических приборов допускового контроля;

— теоретическое исследование высокочувствительных фотоэлектрических преобразователей на усилителях с комбинированной обратной связью;

— разработка и исследование фотоэлектрических частотных преобразователей с автоматической коррекцией аддитивной погрешности, применяемой для уменьшения влияния фоновой засветки на достоверность результатов контроля механических перемещений;

— разработка структурных схем построения и анализ инструментальных погрешностей фотоэлектрических преобразователей, применяемых для контроля параметров механических перемещений и вибрационных колебаний.

Методы и средства исследований.

При решении диссертационных задач использовались методы общей теории систем, теория автоматического управления, методы математического и схемотехнического моделирования на ПЭВМ, теория погрешностей измерений, теория функций комплексного переменного, методы аппроксимации характеристик нелинейных элементов и спектральный анализ электрических сигналов, а также экспериментальное моделирование функциональных узлов фотопреобразователей.

Научная новизна работы заключается в следующем:

— разработан способ линейного фотоэлектрического преобразования механических параметров в электрические, основанный на законах лучевой оптики с учетом функциональной зависимости расположения источника излучения и объекта контроля, позволяющий повысить универсальность применения фотопреобразователей механических перемещений;

— разработан способ преобразования светового излучения в напряжение, частоту и скважность импульсов, основанный на законе Столетова, с последующим усилением сигнала и применением положительной и отрицательной обратных связей по указанным параметрам, позволяющий повысить чувствительность фотоэлектрических преобразователей механических перемещений;

— разработаны оригинальные структуры фотопреобразователей с защитой от внешней фоновой засветки, обеспечивающие стабилизацию начального уровня выходного сигнала и линейность преобразования механических перемещений в напряжение и частоту.

Практическая ценность работы заключается в том, что в результате теоретических и экспериментальных исследований разработаны и внедрены в научно-производственном объединении «Научприбор» (г. Орел) фотодатчики, применяемые для контроля вращения анода рентгеновской лампы МЦРУ «Сибирь». Кроме этого, разработано и внедрено на предприятии «Протон» малогабаритное цифровое устройство со светочастотным преобразованием, применяемое для контроля качества выпускаемых светодиодов в технологическом процессе их производства.

Разработаны и экспериментально исследованы принципиальные схемы фотоэлектрических преобразователей, реализованные на фотодиодах, микромощных операционных усилителях и КМОП логических элементах. Такие датчики характеризуются минимальным энергопотреблением и предназначены для использования в автономных приборах, служащих для фотоэлектрического контроля вибрационных параметров промышленного оборудования и для допускового контроля качества светодиодов на разных стадиях технологического производства.

Результаты проведенных исследований используются в учебном процессе — на кафедре «Радиотехники и электроники» Академии ФСО России при проведении занятий по дисциплинам «Электронная техника», «Электротехника и электроника» и «Электроника и схемотехника» .

Основные результаты исследований обсуждены на Международной научной конференции «Приборостроение — 2005″ (г. Мисхор), на Всероссийской научно-технической конференции в ОрелГТУ» (2005, г. Орел), на XII Всероссийской научно-технической конференции «Новые информационные технологии в научных исследованиях и в образовании» (2007, г. Рязань), на 33-й Всероссийской научно-технической конференции «Сети, системы связи и телекоммуникации» (2008, г. Рязань) и на Всероссийской научно-технической конференции «Информтех-2008», г. Курск.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, содержание которых изложено на 145 страницах, содержит 57 рисунков и список литературы из 76 наименований.

Выводы по четвертой главе.

1 Экспериментально доказано, что освещение боковой грани цилиндрического стеклянного стержня позволяет развернуть лазерный луч в узкую полосу света, имеющую малую расходимость по ширине на расстоянии в десятки сантиметров при небольшом ослаблении мощности оптического излучения.

2 Установлено, что для ограничения ширины полоски лазерного света в пределах 1,0. 1,5 мм целесообразно устанавливать на выходе излучателя два светозащитных экрана с отверстиями щелевидной формы, которые позволяют исключить влияние дифракционных полос на результаты фотоэлектрического контроля механических перемещений и параметров вибрационных колебаний.

3 Применение разработанной схемы управления лазерным излучателем с оптической системой развертки позволяет обеспечить долговременную стабильность мощности излучения за счет ограничения и стабилизации тока накачки лазерного диода и его включения таймером только в циклах фотоэлектрического контроля с автоматическим выключением в остальное время.

4 В результате проведенных исследований схемы преобразователя лазерного излучения в частоту импульсов подтверждена линейность светочастотной характеристики в килогерцовом диапазоне частот и практически доказана возможность десятикратного повышения чувствительности таких устройств за счет применения интегратора фототока с положительной обратной связью.

5 Разработаны и экспериментально опробованы оптоэлектронные преобразователи скорости вращения в частоту импульсов, применение которых позволяет реализовать бесконтактный контроль динамических параметров при минимальных аппаратурных затратах.

6 Доказана универсальность применения предложенного способа повышения чувствительности не только для фотодатчиков механических перемещений, но и для преобразователей электрических величин с промежуточным фотоэлектрическим преобразованием.

7 В результате анализа основных и дополнительных погрешностей фотоэлектрических преобразователей на усилителях с комбинированной обратной связью подтверждена высокая точность предложенных устройств.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований устройств фотоэлектрического контроля установлено следующее.

1 В высокочувствительных приборах фотоэлектрического контроля необходимо использовать фотодиоды, работающие в режиме короткозамкнутой нагрузки, применение которого позволяет уменьшить темновой ток до долей на-ноампера и обеспечить значительное повышение разрешающей способности фотодатчиков механических перемещений.

2 Для расширения диапазона частот фотоприемников нужно понижать эквивалентное сопротивление нагрузки фотодиодов, в частности, за счет их включения между входами дифференциальных усилителей. Такое включение позволяет уменьшить влияние нестабильности внутреннего сопротивления фотодиода и температурного изменения темнового тока на линейность световой характеристики.

3 Применение в портативной аппаратуре фотоэлектрического контроля лазерных диодов позволяет обеспечить высокую освещенность фотодатчиков на расстоянии до одного-двух метров от излучателя за счет повышенной мощности излучения и узкой диаграммы направленности лазерного луча по сравнению с аналогичными параметрами светоизлучающих диодов.

4 Повышение линейности преобразования механических перемещений в глубину модуляции фототока обеспечивается при развертке лазерного луча в узкую полосу света с помощью цилиндрической стеклянной призмы и использовании приемника излучения с фоточувствительным окном треугольной формы.

5 Подключение фотодиодов между входами операционных усилителей с комбинированными цепями положительной и отрицательной обратной связи позволяет в десятки раз повысить коэффициент преобразования фототока в напряжение и тем самым значительно увеличить разрешающую способность аппаратуры фотоэлектрического контроля. Разделение цепей обратной связи по постоянному и переменному току позволяет обеспечить высокую стабильность начального уровня при высокой чувствительности к переменному фототоку.

6 Применение в фотодатчиках усилителей с комбинированной обратной связью и двухтактным режимом работы для автоматической коррекции аддитивной погрешности является универсальным способом улучшения параметров фотоприемных устройств, позволяющим увеличить разрешающую способность и расширить диапазон измерения приборов фотоэлектрического контроля.

7 Введение в интеграторы фототока дополнительной цепи положительной обратной связи обеспечивает значительное — в десятки раз — увеличение крутизны характеристики светочастотного преобразования и повышение чувствительности фото датчиков с частотным и ШИМ выходом.

8 Значительное уменьшение влияния внешней засветки на чувствительность фотодатчиков механических перемещений обеспечивается за счет применения светонепроницаемых гибких световодов между источником и приемником излучения, имеющих внутреннюю светопоглощающую поверхность и диафрагмы с отверстиями прямоугольной формы. При открытом оптическом канале аналогичный эффект достигается установкой на оптическом входе фотоприемника красного светофильтра в сочетании с лазерным источником излучения.

9 Применение предложенной методики настройки аппаратуры фотоэлектрического контроля с гибкими световодами при вибрационных испытаниях позволяет упростить и сократить длительность цикла контроля в производственных условиях и устранить влияние внешней засветки.

10 Разработанные конструкции излучателя с разверткой лазерного луча и фотоприемников разного типа практически изготовлены, экспериментально опробованы и внедрены на двух предприятиях для технологического контроля выпускаемой продукции. Новизна проведенных исследований подтверждена патентами на изобретения, а на предложенные технические решений получены три свидетельства на полезную модель.

На основании изложенного можно сделать вывод о завершенности проведенных исследований, в результате которых значительно повышена чувствительность и разрешающая способность аппаратуры фотоэлектрического контроля механических параметров в соответствии с поставленной целью работы.