Przetworniki fotoelektryczne

Przetworniki

fotoelektryczne

Zasada

działania

przetworników

fotoelektrycznych

polega

wykorzystaniu wpływu promieniowania widzialnego (promieniowanie z zakresu
0,4÷0,7μm ), a częściowo także
promieniowania podczerwonego i ultrafioletowego na właściwości elektryczne
niektórych elementów tych przetworników.

Przetworniki  fotoelektryczne  bezpośrednio  stosuje  się  do  pomiarów
parametrów  promieniowania,  ale  pośrednio  mogą  także  być  zastosowane  do
pomiarów  innych  wielkości  jak  np.  przezroczystość  ciał,  przesunięcie,
prędkości, analizy składu chemicznego itp.

Najczęściej

spotykanymi

czujnikami

fotoelektrycznymi,

które

wykorzystywane są do budowy przetworników fotoelektrycznych są
fotorezystory, fotodiody, fototranzystory i fotoogniwa.

Fotorezystory są to elementy, których rezystancja jest uzależniona od
natężenia ich oświetlenia w zakresie podczerwieni oraz widzialnym. Elementy
te wykonane są w postaci cienkich płytek lub
warstw półprzewodnika, które charakteryzują się dużym stopniem czystości i
naniesione są na izolacyjne podłoże. Elektrody tych elementów mają najczęściej
kształt zazębiających się grzebieni.
Fotorezystor posiada obudowę szklaną lub metalową, która ma szklane okienko
przez które może być oświetlane jego podłoże.

Przetworniki

fotoelektryczne

Fotorezystor: a) symbol;b) obudowa: 1- elektrody fotorezystory, 2-
powierzchnia czynna

W elementach tych wykorzystuje się zjawisko fotoelektryczne
wewnętrznej

emisji

elektronów,

które

pod

wpływem

absorbowanej energii świetlnej przechodzą z pasma
podstawowego do pasma przewodnictwa, wskutek czego pojawiają
się dodatkowe nośniki prądu i maleje rezystancja fotorezystora.

Przetworniki

fotoelektryczne

Fototranzystory
Element ten zbudowany jest na bazie złącza n − p − n lub też p − n −
p , które pracuje w reżimie diodowym tzn. jak dioda dwuzłączowa. W
elemencie tym do sterowania prądem wyjściowym wykorzystuje się
wewnętrzne zjawisko fotoelektryczne wywołane promieniowaniem świetlnym.
Fototranzystory wykonywane są z germanu lub krzemu.

Fototranzystor : a) symbol; b) układ pracy i zasada działania; c) przebieg
barier potencjału

Przetworniki

fotoelektryczne

Fotodiody
Fotodiody są elementami światłoczułymi wykonanymi z germanu lub krzemu o
jednym lub więcej złączu p − n . Elementy te pracują najczęściej w układzie
pokazanym na poniższym rysunku.

Fotodioda: a) symbol; b) układ pracy i zasada działania Jak widać elementy
te są spolaryzowane zewnętrznym

Przetworniki

fotoelektryczne

Inkrementalne układy pomiarowe długości.

Wspólną  cechą  konstrukcyjną  wszystkich  wzorców  inkrementalnych  są  strefy
(pasma) na przemian aktywne i pasywne naniesione na szklane lub metalowe
liniały.  Szerokość  strefy  zwana  jest  stałą  siatki.  Nazwa  wzorce
inkrementalne  wynika  z  faktu  przyrostowego  określania  wartości
przesunięcia  wzorca  względem  przetwornika  (inkrementacja).    Ważnym
elementem  jest  również  stosowanie  -  podobnie  jak  w  przypadku  wzorców
kreskowych  -  interpolatorów,  tzn.  urządzeń  umożliwiających  uzyskanie
lepszej rozdzielczości niż wynikająca z odległości między strefami wzorca.

W  przyrządach  do  pomiarów  wielkości  geometrycznych  stosuje  się
najczęściej inkrementalne układy pomiarowe:
•   projekcyjne ze wzorcem szklanym (pracujące w świetle przechodzącym)
i optoelektronicznym    przetwornikiem,
•  projekcyjne  ze  wzorcem  metalowym  (pracujące  na  podstawie  światła
odbitego) i optoelektronicznym przetwornikiem,
•  interferencyjne  ze  wzorcem  (metalowym,  szklanym  lub  ceramicznym)  z
siatką fazową i optoelektronicznym przetwornikiem,
•   magnetyczne,
•   indukcyjne (induktosyn),
•   pojemnościowe.

Przetworniki

fotoelektryczne

Ważnym  elementem  jest  stosowanie  -  podobnie  jak  w  przypadku  wzorców
kreskowych  -  interpolatorów,  tzn.    urządzeń  umożliwiających  uzyskanie
lepszej  rozdzielczości  niż  wynikająca  z  odległości  między  strefami  wzorca.
Charakterystyczne  jest  również  stosowanie  wyłącznie  cyfrowych  urządzeń
wskazujących.
Tak  więc  o  wzorcach  inkrementalnych  można  mówić  jedynie  w  kontekście
całego  układu  pomiarowego:  wzorzec  -  przetwornik  -  interpolator
-cyfrowe urządzenie wskazujące.

Inkrementalne układy pomiarowe mają kilka bardzo istotnych zalet:
• wysoką dokładność (błąd odtwarzania wynosi od 1 do 10  nm); układy
optoelektroniczne  ze  wzorcami  z  siatką  fazową  osiągają  dokładność
porównywalną  z  dokładnością  interferometrów  laserowych  (rozdzielczość  do
1 nm),
•  cyfrową  postać  wskazań;  cyfrowe  urządzenie  wskazujące    można
zerować w dowolnym miejscu, dzięki czemu w pomiarach różnicowych wynik
pomiaru  otrzymuje  się  bezpośrednio;  cyfrowe  wyniki  pomiarów  można  łatwo
przesłać  do  komputera  i  tam  poddać  odpowiedniej  obróbce,    względnie
wykorzystać  do  sterowania  pracą  innych  urządzeń.    Układy  pomiarowe  z
optoelektronicznymi  przetwornikami  stosuje  się  m.in.  w  długościomierzach,
mikroskopach i
   współrzędnościowych maszynach pomiarowych.

Dokładność  wzorców  inkrementalnych  określa  się  za  pomocą  klas
dokładności.  Klasa  dokładności  ±a  jest  definiowana  w  następujący
sposób:  graniczne  wartości  błędów  wzorca  F  względem  ich  wartości
średniej  na  dowolnym  -  do  1  metra  -  odcinku  wzorca  są  zawarte  w
przedziale -α µm ≤F≤ +α µm.
W przypadku obudowanych układów pomiarowych optoelektronicznych klasa
dokładności obejmuje błędy wzorca wraz z przetwornikiem.  Natomiast klasa
dokładności wzorca bez obudowy dotyczy wyłącznie wzorca.  W przyrządach
do pomiarów długości stosuje się wzorce bez obudowy, montując je
bezpośrednio w osie pomiarowe przyrządów.

Przetworniki

fotoelektryczne

Zasadnicze  elementy  inkrementalnego  sensora  położenia  to  liniał  z
podziałką kreskową dwie płytki odczytujące z kreskami, fotodiodami oraz źródłem
światła i układem optycznym.
Światło  przechodzi  przez  liniał  oraz  płytki  odczytowe  w  odstępach  między
kreskami  i  trafia  do  fotodiod.  W  przybliżeniu  natężenie  światła,  za  liniałem  i
pierwszą  płytką,  zmienia  się  sinusoidalnie,  Okres  zależy  od  działki  liniału  i
prędkości  jego  przesuwu.  Kreski  na  drugiej  płytce,  potrzebnej  do  wyznaczania
zwrotu  przesuwania  są  przesunięte  względem  kresek  na  pierwszej  o  pól
szerokości  kreski  .  Jeżeli  oświetlenie  za  pierwszą  płytką  jest  maksymalne,  to
maksymalne za drugą wystąpi po przesunięciu liniału o 1/4 działki w prawo (kolor
czarny) lub 3/4 działki w lewo (kolor czerwony) i dlatego za nią natężenie zmienia
się cosinusoidalnie.
Zgodnie  z  przebiegiem  natężenia  światła  zmienia  się  sygnał  elektryczny
wytwarzany  przez  fotodiody,  który  jest  następnie  przetwarzany  w  prostokątny
U

i U

. Ich suma U

= U

po zróżniczkowaniu tworzy impulsy U

: dodatni przy

zmianie  napięcia  w  kierunku  dodatnim  i  ujemny  przy  zmianie  w  kierunku
ujemnym.  Pozwala  to  na  wyznaczenie  kierunku  obrotów.  Liczba  tych  impulsów
jest  czterokrotnie  większa  od  liczby  okresów  podziałki  kreskowej.  W  ten  sposób
uzyskuje się czterokrotnie więcej sygnałów niż liczba działek, a więc przy działce
pomiarowej liniału kreskowego 4 µm otrzymuje się rozdzielczość 1 µm.
Ta sama zasada jest stosowana w sensorze położenia kątowego.
Jeżeli  w  takim  sensorze  liczba  kresek  na  tarczy  wynosi  np.  36000,  to  dzieląc
każdy okres na 1024 części. otrzymujemy rozdzielczość rzędu 0,00001

Sensor położenia kątowego w połączeniu z precyzyjną, kulkową przekładnią
śrubową służy do dokładnego pomiaru przemieszczenia liniowego

Jeżeli skok śruby wynosi 10 mm, a tarcza sensora ma na obwodzie 2500 kresek,
to przy czterokrotnym podziale okresu otrzymujemy: 4*2500 = 10000 impulsów na
jeden obrót walka, a więc rozdzielczość 10 mm/10000 = 1µm.

Przetworniki

fotoelektryczne

Optoelektroniczne układy pomiarowe
W szklanych wzorcach inkrementalnych poprzez naniesienie stref otrzymuje
się części przezroczyste i nieprzezroczyste tworzące podziałkę o okresie T.
Stosowane są różne wartości okresu podziałki T (stałej siatki). Na
przykład wzorce szklane firmy Heidenhain pracujące
w świetle przechodzącym mają podziałkę o okresie 10 lub 20 µm, wzorce
zaś metalowe pracujące w świetle odbitym 40 lub 100 µm.

Uproszczony schemat układu pomiarowego ze wzorcem
inkrementalnym

Przetworniki

fotoelektryczne

Przetwornik składa się z oświetlacza i jednego fotoelementu. Układ ten
przesuwa  się  względem  wzorca  inkrementalnego.  Otrzymany  sygnał
pomiarowy  jest  (przy  założeniu  bardzo  małych  wymiarów  szczeliny  i
pominięciu wpływu rozproszenia światła) prostokątny. Liczba impulsów
(zliczana  w  odpowiednim  liczniku),  przy  znajomości  okresu  podziałki  (stałej
siatki)  i  założeniu,  że  ruch  odbywa  się  w  jednym  kierunku,  daje  informację  o
przemieszczeniu  układu.    W  realizacjach  praktycznych  takich  przetworników
stosuje  się  dodatkową  przesłonę  przed  fotoelementem.  Pozwala  ona  na
odpowiednie uformowanie kształtu impulsu z fotoelementu.  Wpływ szerokości
przesłony  na  kształt  impulsu  wyjściowego  z  zastosowanego  fotoelementu
przestawiony jest na rysunku .

Schemat układu inkrementalnego do pomiaru przemieszczeń liniowych z
dodatkową przysłoną fotoelementu

Przetworniki

fotoelektryczne

Przedstawiony  wyżej    przetwornik  inkrementalny  nie  umożliwia  rozpoznania
kierunku ruchu. Aby
przetwornik  pozwalał  na  określenie  kierunku  ruchu  należy  zastosować  drugi
fotoelement  przesunięty  względem  pierwszego  o  1/4  okresu  podziałki
oraz  odpowiedni  układ  elektroniczny.  Budowa  takiego  przetwornika
wraz z przebiegami czasowymi sygnałów w układzie rozpoznawania kierunków
przedstawiona jest na rysunku .

Schemat układu do
rozpoznawania kierunku
ruchu
przetwornika
inkrementalnego

Przetworniki

fotoelektryczne

Dysponując  dwoma  sygnałami,  można  oprócz  rozpoznania  kierunku
przemieszczenia  uzyskać  czterokrotne  powielenie  częstotliwości  sygnału
prostokątnego, czyli możliwość pomiaru
z rozdzielczością równą 1/4 okresu wzorca.  Dokładność pomiaru zależy
wprost  od  dokładności  wykonania  wzorca.  W  celu  zmniejszenia  wpływu
dokładności  wzorca  na  dokładność  pomiaru  zamiast  pojedynczej  szczeliny
stosuje się przysłony z siatką złożoną z wielu stref (ponad 100), o takim samym
okresie  jak  wzorzec,  a  w  celu  zmniejszenia  rozdzielczości  tzw.
interpolatory.
Zastosowanie przysłony z wieloma strefami zwiększa dokładność układu dzięki
uśrednieniu

błędów

systematycznych

poszczególnych

stref

wzorca

inkrementalnego. Poniżej opisano układy pomiarowe optoelektroniczne firm
Heidenhain, Zeiss i Leitz-Brown&Sharpe. Budowa układu pomiarowego z
przysłoną o czterech polach firmy Heidenhain przedstawiona jest na rysunku .

Źródło  światła  (5)    -  o  pomijalnie  małym  wpływie  cieplnym  na  wzorzec  -
poprzez  kondensor  (6)  wysyła  równoległą  wiązkę  promieniowania,  które
przechodzi przez przezroczyste fragmenty wzorca (7) i przysłonę (2) z siatką o
takim  samym  okresie  T,  jak  podziałka  główna  (3).  Przy  przesuwaniu  wzorca
względem przysłony zmienia się okresowo strumień światła, ponieważ ciemne
i  przezroczyste  strefy  wzorca  i  przysłony  pokrywają  się  na  przemian.  Zmiany
te  rejestrują  fotodiody  (7).    Za  każdym  polem  stref  przysłony  (2)  znajduje  się
fotodioda (7). Strefy na przysłonie (2) tworzą dwie pary (a, b i c, d) pól siatki.
Sinusoidalny sygnał wytworzony przez światło padające na fotodiodę z pola  a
jest  przesunięty  wzdłuż  osi  y  o  pewną  stałą  wartość  a

. Sygnał z pola b jest

również przesunięty wzdłuż osi y o wartość a

. Oba sygnały z pól a i b są

przesunięte  względem  siebie  wzdłuż  osi  x  o  pół  okresu  podziałki,  Sygnały
otrzymane  z  przetwornika  optoelektronicznego  inkrementalnego  układu
pomiarowego:  a),  b),  c)  i  d)  -  sygnały  z  fotodiod,  e)  i  f)  .  sygnały  po
zsumowaniu,  g) i h) . sygnały w postaci prostokątnej, i) sygnał referencyjny Po
wzajemnym odjęciu obu sygnałów z elementów
fotoelektrycznych, opisanych zależnościami

Działanie

Przetworniki

fotoelektryczne

Układ pomiarowy optoelektroniczny projekcyjny z przysłoną o czterech polach
firmy Heidenhain: a) z wzorcem szklanym, b) z wzorcem metalowym;1 -
szklany/stalowy wzorzec inkrementalny, 2 - przysłona z siatką, 3 - siatka
wzorca inkrementalnego, 4 - wskaźnik referencyjny do określenia
pozycji punktu odniesienia wzorca, 5 - źródło światła (LED), 6 - kondensor, 7 -
fotodiody, a, b, c, d - pola stref na przysłonie, T - okres podziałki (stała siatki);
zarówno przysłona, jak i fotodiody
znajdują się w bardzo małej odległości od wzorca

Przetworniki

fotoelektryczne

Sygnały otrzymane z przetwornika
optoelektronicznego
inkrementalnego

układu

pomiarowego:  a),  b),  c)  i  d)  -
sygnały  z  fotodiod,  e)  i  f)  .  sygnały
po zsumowaniu,  g) i h) - sygnały w
postaci  prostokątnej,  i)  sygnał
referencyjny

Przetworniki

fotoelektryczne

Sygnały  z  fotodiod  (7)  są  w  interpolatorach  przetwarzane  na  sygnały  o
postaci prostokątnej  i po ich zliczeniu podawane jako sygnały cyfrowe. Przy
zmianie  kierunku  mierzenia  oprócz  sygnału  zliczania  impulsów  zostaje  użyty
sygnał kierunkowy. Do określenia pozycji wzorca niezbędne jest absolutne
odniesienie, dlatego we wzorcach obok ścieżki z siatką inkrementalną jest
naniesiona  dodatkowa  ścieżka,  w  której  znajduje  się  jeden  lub  więcej
kodowanych punktów odniesienia.

Identyfikacja  kodowanego  punktu  (paska)    odniesienia  odbywa  się  także
optoelektronicznie i
odpowiada  ściśle  określonemu  wskazaniu  cyfrowemu.  Uzyskanie
absolutnego odniesienia wymaga
najechania  na  punkt  referencyjny.  W  najmniej  korzystnym  przypadku
niezbędne przesunięcie
wzorca może stanowić znaczną część zakresu pomiarowego. Aby temu zapobiec,
wiele  układów  i  pomiarowych  ma  więcej    punktów  referencyjnych  z
zakodowanymi  między  nimi  odległościami.  Określenie  absolutnego  odniesienia
następuje  po  przejechaniu  dwóch  sąsiednich  punktów  referencyjnych.  W
przypadku inkrementalnych układów pomiarowych firmy Heidenhain ze wzorcami
metalowymi,  istotna  różnica  –  w  porównaniu  ze  wzorcami  szklanymi  -  polega
jedynie  na  korzystaniu  ze  światła  odbitego  od  wzorca.    Wzorce  metalowe  mają
naniesione  złote  kreski,  dobrze  odbijające  kierunkowo  światło  oraz  pasma  (o  tej
samej szerokości co kreski) rozpraszające światło.
Współczynnik rozszerzalności cieplnej wzorców metalowych ma wartość α≈10·10

[1/

C]. Wzorce szklane mają współczynniki rozszerzalności cieplnej

α≈(8÷10)·10

-6

[1/

C].

Przetworniki

fotoelektryczne

Wzorzec  ma  postać  taśmy  stalowej,  z  siatką  o  podziałce  T=40  µm
naniesioną  techniką  AURODUR  (na  przemian  złote  i  rozpraszające  światło
matowe pasma). Przezroczysta przysłona jest wykonana z dwóch złożonych ze
sobą siatek o różnych własnościach dyfrakcyjnych.
Światło  wysyłane  przez  źródło  (LED)  przechodzi  przez  kondensor  i
przysłonę,  wytwarzając  na  wzorcu  cztery  obrazy  siatki  przysłony, przesunięte
wzajemnie o 1/4 podziałki T.
W  drodze  powrotnej  po  przejściu  przez  przesłonę  światło  pada  na  cztery
fotodiody  i  przy  ruchu  wzorca  względem  przysłony  wywołuje  sinusoidalne
sygnały.  Dalsza  obróbka  sygnałów  przebiega  podobnie  jak  w  układzie
projekcyjnym z przysłoną o czterech polach .
Układ  pomiarowy  z  przysłoną  o  jednym  quasi-polu  przysłony  ma  trzy
istotne zalety:
• do wytwarzania sygnałów  służy tylko jedno pole przysłony, zatem przy
nieznacznym  zabrudzeniu  wzorca,  wpływ  zmian  strumienia  światła
padającego na cztery fotodiody jest podobny,
• odwzorowanie obrazu nie jest czułe na małą falistość taśmy wzorca,
•  odległość  i  tolerancja  odległości  między  wzorcem  i  przysłoną  jest
istotnie większa niż w układzie o czterech polach przysłony.

Interferencyjny układ pomiarowy ze wzorcem z siatką fazową.
Układy pomiarowe wykorzystujące ugięcie i interferencję ze wzorcami
metalowymi, szklanymi lub ceramicznymi z siatką fazową są
najdokładniejszymi układami pomiarowymi. Wzorce z siatką fazową, które
przedstawione są na rysunku 19, mają okresowo naniesione występy
(wgłębienia), przy czym długość występu jest równa długości wgłębienia.

Przetworniki

fotoelektryczne

Przekrój układu pomiarowego interferencyjnego ze wzorcem z siatką
fazową firmy Heidenhain; 1 - metalowy, szklany lub ceramiczny (zerodur)
wzorzec z siatką fazową, 2 -
przezroczysta przysłona z siatką fazową, 3 - źródło światła (LED); F1, F2,
F3 - fotodiody (fotoelementy), T - okres podziałkiwzorca

Wysokość występów wykonanych w cienkiej warstwie ze złota lub
techniką AURODUR (chrom) wynosi » 0,2 µm, tj. 1/4 długości fali światła
wysyłanego przez oświetlacz (λ« 0,8 µm). Stosuje się okresy podziałek T=
8 µm lub T=4 µm
(Heidenhain).

Przetworniki

fotoelektryczne

Układ pomiarowy interferencyjny ze wzorcem z siatką fazową
(Heidenhain); 1 - wzorzec z siatką fazową, 2 -przezroczysta przysłona z
siatką fazową, 3 - źródło światła (LED), 4 - kondensor, 5 - fotodiody, T -
okres podziałki wzorca

We wzorcach tych wykorzystuje się zjawisko ugięcia i interferencji fal
świetlnych.  Równoległa  wiązka  światła  przechodzi  przez  przezroczystą
przysłonę  o  takiej  samej  podziałce  jak  podziałka  wzorca.  Z  trzech
interferujących  i  padających  na  fotodiody  (fotoelementy)  sygnałów  tworzą
się
dwa  sinusoidalne  sygnały  przesunięte  wzajemnie  o  1/4  okresu  podziałki  .
Dalsza  interpolacja  przebiega  podobnie  jak  w  inkrementalnych  wzorcach
szklanych i metalowych.

Stosuje się podziały okresu podziałki k = 5, 10, 50 lub 100-krotne.
Rozdzielczości układów pomiarowych tego typu (Heidenhain) wynoszą od 1
µm do 0,01 µm, a nawet 0,001 µm
= 1 nm. Wytwarza się wzorce klas dokładności od ±1 µm (tj. ±1µm/m) do
±0,1 µm (tylko do 100 mm). Wzorce wykonuje się ze stali (α ≈ 10·10

-6

[1/°C]), szkła (α ≈8·10

-6

[1/°C]) lub materiału ceramicznego o nazwie

zerodur, o praktycznie zerowym współczynniku rozszerzalności cieplnej.

Przetworniki

fotoelektryczne

Układ pomiarowy firmy Zeiss znany jest pod nazwą Phocosin i stosowany
głównie we współrzędnościowych maszynach pomiarowych tej firmy. Istotna
różnica w budowie tego systemu polega na wykorzystaniu prążków moire’a i
przejęciu funkcji okresu T wzorca inkrementalnego przez odległość między
prążkami moire’a. Jeżeli siatkę przysłony skręcić o niewielki kąt w stosunku do
siatki wzorca, otrzyma się obraz jak na rysunku.

Przy względnym ruchu wzorca i przysłony prążki będą się przemieszczały w
kierunku prostopadłym do ruchu wzorca. W rozwiązaniu firmy Zeiss czujnik
fotooptyczny i interpolator analizują przemieszczenia tych właśnie prążków.
Popełnianie małych błędów interpolacji jest uwarunkowane
uzyskaniem dobrego sinusoidalnego kształtu sygnałów, ich jednakowej amplitudy,
małego udziału w sygnale składnika stałego oraz dokładnego przesunięcia
sygnałów .
Z analizy przechodzącego strumienia świetlnego przy wzajemnym przesuwaniu
się szklanego wzorca i przysłony wynika, że przy odpowiednio dużym okresie T
kształt sygnału jest trójkątny.

Przetworniki

fotoelektryczne

Interpolatory
Jedna z możliwości interpolacji sygnału z przetwornika inkrementalnego
urządzenia pomiarowego na drodze elektrycznej polega na wykorzystaniu faz
pomocniczych w układzie oporowym przedstawionym na rysunku .

Interpolacja z wykorzystaniem faz pomocniczych w układzie oporowym:
a) wykres fazy, b) schemat układu interpolacyjnego, c) sinusoidalne sygnały
otrzymane z fotodiod - sygnały wejściowe interpolatora i prostokątne sygnały
po interpolacji - sygnały wyjściowe interpolatora; 1 - okres podziałki wzorca
inkrementalnego, 2 - przesunięcie fazowe sygnałów, 3 - rozdzielczość układu
interpolacyjnego, 4 - sygnał referencyjny

Innym sposobem interpolacji jest interpolacja
cyfrowa.

Document Outline