Przetworniki

fotoelektryczne

Inkrementalne

układy pomiarowe

długości

1

Przetworniki fotoelektryczne

Zasada

działania

przetworników

fotoelektrycznych

polega

na

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.
Budowa typowego fotorezystora przestawiona jest na rysunku 1. Fotorezystor
posiada obudowę szklaną lub metalową, która ma szklane okienko przez które
może być oświetlane jego podłoże.
Rysunek 1. Fotorezystor: a) symbol;b) obudowa: 1- elektrody
fotorezystory, 2- powierzchnia czynna

2

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.

3

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.
Natężenie prądu .ciemnego. jest uwarunkowane głównie przepływem
niewielkiej liczby elektronów z obszaru 2 n do obszaru 1 n oraz z obszaru p do
obszaru 1 n .

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

4

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

5

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 dwu złączowa. W elemencie tym do
sterowania prądem wyjściowym wykorzystuje się wewnętrzne zjawisko
fotoelektryczne wywołane promieniowaniem świetlnym.
Fototranzystory wykonywane są z germanu lub krzemu. Natężenie prądu
.ciemnego. jest uwarunkowane głównie przepływem niewielkiej liczby
elektronów z obszaru 2 n do obszaru 1 n oraz z obszaru p do obszaru 1 n .

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

6

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.

7

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.

8

9

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

1

i U

2

. Ich suma U

3

= U

1

+U

2

po zróżniczkowaniu tworzy impulsy U

4

: 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

0

.

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

10

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

11

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

12

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

0

. Sygnał z pola b jest

również przesunięty wzdłuż osi y o wartość a

0

. 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

13

Przetworniki fotoelektryczne

Układ pomiarowy optoelektroniczny projekcyjny z przysłoną o czterech polach
firmy Heidenhain: a) ze wzorcem szklanym, b) ze 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

14

15

Przetworniki fotoelektryczne

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

16

17

Przetworniki fotoelektryczne

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

-

6

[1/

0

C]. Wzorce szklane mają współczynniki rozszerzalności cieplnej

α≈(8÷10)·10

-6

[1/

0

C].

18

Przetworniki fotoelektryczne

Przekrój poprzeczny obudowanego wzorca inkrementalnego
(Heidenhain); 1 - źródło światła, 2 -kondensor, 3 - przysłona z
siatką, 4 - szklany wzorzec inkrementalny, 5 - fotodiody, 6 -
obudowa wzorca, 7 -uszczelniacz, 8 - ramię do połączenia układu
pomiarowego z ruchomą częścią urządzenia

19

Przetworniki fotoelektryczne

Układ pomiarowy projekcyjny z przy słoną o jednym quasi-polu firmy
Heidenhain;1 - wzorzec, 2 – siatka wzorca, 3 - przysłona, 4 - źródło światła
(LED), 5 - kondensor, 6 - fotodiody

20

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.

21

Przetworniki fotoelektryczne

22

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

23

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

24

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

25

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.