CC BY
98
УДК 620:191.33.681.7.624.012 Т.В. Ларина СГГА, Новосибирск
ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТРОНОВ ОТКРЫТОГО КАНАЛА ДЛЯ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВЕННЫХ ПАРАМЕТРОВ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
В статье приведены методика, и результаты экспериментального исследования характеристик полупроводникового оптрона открытого канала волоконно-оптических систем для контроля качественных параметров металлических поверхностей.
T. V. Larina SSGA, Novosibirsk
INVESTIGATION OF OPEN-CHANNEL OPTRONS FOR THE CONTROL OF METAL SURFACES QUALITATIVE PARAMETERS
The paper deals with the techniques and the results of the experimental research as concerns characteristics of open-channel semiconductor optron in fiber-optical systems for the control of metal surfaces qualitative parameters.
Основными первичными элементами оптронов являются полупроводниковые излучатели: светоизлучающие диоды (СИД), суперлюминисцентные диоды (СЛД) и ЛД; приемники оптического излучения (ПОИ): фоторезисторы (ФР), фотодиоды (ФД), фототранзисторы (ФТ) и АФН-приёмники (АФ).
Основные требования, предъявляемые к излучателям: высокая мощность излучения, соответствие спектральной характеристики с характеристиками оптических волокон (ОВ), надёжность, малые габариты, доступная цена. СИД в этом плане просты, долговечны, недороги, но имеют низкую эффективность излучения в ОВ, ограниченную полосу пропускания и дальность передачи. Мощность оптического излучения 0,5... 5 мВт.
Принцип работы СЛД аналогичен полосковым ЛД и отличается тем, что одно из зеркал убрано и ослаблена обратная связь. Спектр излучения их хуже, а энергетическая яркость выше, чем у СИД. Мощность оптического излучения (100.500 мкВт) намного ниже, чем у СИД, поэтому в наших исследованиях они не используются.
Основными достоинствами ЛД являются компактность, прочность и высокая эффективность. По сравнению с СИД они обладают большей мощностью оптического излучения (1.10 мВт), большей предельной частотой модуляции, меньшей шириной спектра и лучшей направленностью излучения.
Недостатками ЛД являются меньшая долговечность (3-104...2-105 часов) и высокая цена.
Ширина спектра излучения у ЛД 0,2...5 нм, у СЛД - 5...8 нм и СИД -30...35 нм [1].
Средняя угловая расходимость излучения у ЛД 3...5° (в плоскости, параллельной р-п-переходу) и 30...60° (в плоскости, перпендикулярной р-п-переходу); у СИД - 100... 120°; у ЛД - 25...30° (в плоскости, параллельной р-п-переходу) и 30...60° (в плоскости, перпендикулярной р-п-переходу).
Основные требования, предъявляемые к полупроводниковым ПОИ: высокая чувствительность, согласованность спектральных характеристик с диапазоном длин волн излучения, высокое быстродействие, линейность сигнала и большой динамический диапазон преобразования оптического излучения в электрический сигнал.
Этим требованиям в настоящее время удовлетворяют полупроводниковые ФР, ФД, ФТ и АФ.
Из всего разнообразия ПОИ в [2] рассмотрены ФР, ФД, и ФТ - приборы, наиболее доступные и применяемые в оптоэлектронном приборостроении. Внимание уделено их параметрам и особенностям применения в оптопарах, принцип действия которых основан на совместном применении излучателей и ПОИ.
Далее изложена методика и приведены результаты экспериментального исследования характеристик полупроводникового оптрона открытого канала для волоконно-оптических систем. Исследованы четыре типа оптрона открытого канала: «излучатель - ФД», «излучатель - ФТ», «излучатель - ФР» и «излучатель - АФ». В качестве ОВ использован полимерный световод круглого сечения в защитной оболочке с диаметром сердцевины dс = 0,4 мм, диаметром отражающей оболочки с10 = 0,6 мм и длиной 1 м.
Исследовано соединение «излучатель - разъём - оптоволокно - разъём -ПОИ». Для снятия его характеристик собраны экспериментальные стенды (рис. 1, 3). Из блока питания БП через переменный резистор Rl подаётся ток на излучатель СИД или ЛД (напряжение 2 В). Излучение СИД или ЛД через разъём Р подаётся через ОВ на светочувствительную поверхность ПОИ. Миллиамперметр мА1 контролирует ток излучателя, а миллиамперметр мА2 контролирует ток ПОИ через регулирующий резистор R2, оторый питается от БП2. В схеме с АФ-приёмником в качестве измерительного прибора использован электростатический вольтметр.
Была снята характеристика оптронной пары, где в качестве излучателей использовались СИД АЛ108А и ЛД-ИЛПН-301-1. В качестве ПОИ служил фотодиод ФД290 (рис. 1).
Ва
Рис. 1. Оптронная пара ИЗЛ-ФД
Для ЛД ИЛПН-301-1 характеристика идёт круче, так как этот ЛД обладает большей мощностью излучения по сравнению с СИД АЛ-107А. Очевидно, для ВОС имеет смысл брать источник излучения с более крутой характеристикой.
Эксперимент проводился при комнатной температуре = 21° С). Результаты эксперимента представлены на рис. 2 в виде графической зависимости тока ПОИ от тока источника излучения. Из результатов эксперимента видно, что характеристика достаточно близка к линейной.
1 - уГ -
О —|-|-|---1-1—
О 10 20 30 40 50 <>0 70 50 90 юо Т«ктцуч<тгсля.мЛ --,:ид -ЛД
Рис. 2. Характеристика оптронной пары ИЗЛ-ФД
Были сняты характеристики оптронной пары, где в качестве ПОИ использовался фототранзистор ФТ-3Г. Схема экспериментального стенда представлена на рис. 3. Результаты эксперимента представлены на рис. 4 в виде графиков. ЛД ИЛПН 301-1 обладает большим коэффициентом выхода излучения по сравнению с СИД АЛ-107А, а предельные значения тока, проходящего через излучатели, одинаковы.
Рис. 3. Оптронная пара через ОВ ИЗЛ-ФТ
Крутизна характеристики оптрона открытого канала определяется напряжением питания ФТ, которое ограничивается предельным допустимым значением (15 В).
На основании проведенных исследований выбрана оптронная пара (рис. 1), которую удобно применять и она хорошо согласуется с излучателем. В настоящее время серийно выпускаются синие излучатели АЛ307. На основании данного оптрона открытого типа разработан анализатор для контроля характеристик металлических поверхностей.
ю
9
Рис. 4. Характеристика оптронной пары ИЗЛ-ФТ
На рис. 5 представлена структурная схема устройства анализатора цвета поверхности твердых материалов, а на рис. 6 один из вариантов выполнения датчика. Анализатор цвета состоит из датчика и электронного блока. Датчик выполнен в виде полусферы 1, в которую установлены три пары У-образных подводящих 2-4 и отводящих 5-7 оптоволокон.
1
Рис. 5. Структурная схема устройства анализатора
А-А
Рис. 6. Один из вариантов выполнения датчика
Электронный блок включает в себя задающий генератор 9, коммутатор 10, три триггера 11-13, три выхода которых соединены с тремя измерительными светодиодами 14, 16, 18, вторые три выхода - с компенсационными светодиодами 15, 17, 19, три приемника оптического излучения 20-22, выход каждого приемника оптического излучения подсоединен к входу соответствующего блока сравнения 23-25, выход каждого из которых соединен с соответствующим измерительным прибором 26-28. Далее электронный блок включает в себя блок обработки фотоэлектрического сигнала 29, запоминающее устройство 30 и измерительную систему, например, ЭВМ.
Устройство работает следующим образом. Задающий генератор 9 вырабатывает импульсы, которые подаются на вход коммутатора 10. Разделительные импульсы подаются на вход трех идентичных триггеров 11 -
13, три выхода которых соединены с тремя измерительными светодиодами
14, 16, 18, вторые три выхода - с компенсационными светодиодами 15, 17, 19 импульсы от триггеров поступают на соответствующие светодиоды. Каждый оптрон отвечает за контроль конкретного того или иного параметра.
Контролируемая поверхность 8, которая заключена в полусферу 1, по подводящим оптическим волокнам 2-4 облучается двумя световыми потоками (измерительным и компенсационным).
Оптоэлектронные пары заключены в кольцевой кожух из мягкой резины для необходимой ориентации датчика и светоизоляции оптического канала и расположены они под углом, например 45°, относительно друг друга и симметрично относительно нормали к контролируемой поверхности в точке отражения.
Оптическое излучение отражается от контролируемой поверхности и отводящими оптическими волокнами 5 - 7 подается на приемники оптического излучения 20-22, работающие на длинах волн ^=680 нм Х2=560 нм Х3 =450 нм и преобразующие оптические сигналы в электрические.
Благодаря прохождению света через подводящее и отводящее оптоволокно подается и принимается узкий пучок излучения, который дает возможность контроля параметров. Далее сигнал попадает на свой блок сравнения 23, 24, 25, берется отношение двух сигналов (измерительных и компенсационных) и далее измерительной системой 26, 27, 28 определяют оттенки трех цветов. Процесс измерения на данном этапе можно закончить. Или три сигнала могут поступать на блок обработки фотоэлектрического сигнала 29, где сопоставляются с любым из ряда образцовых, хранящихся в запоминающем устройстве 30. Далее оба сигнала или их отношение подаются на измерительную систему или в ЭВМ 31.
Благодаря прохождению света через подводящие 2-4 и отводящие 5-7 оптоволокна подается и принимается узкий пучок излучения, который дает возможность контроля параметров.
При необходимости сигнал с выхода блока обработки фотоэлектрического сигнала можно подать в систему автоматического контроля.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Берикашвили, В.Ш. Волоконно-оптические системы контроля атмосферы угольных шахт // В.Ш. Берикашвили, М.В. Хиврин // Радиотехника. -2001. - № 5.- С.21-27.
2. Ямамото Хисааки. Оптоволоконные датчики и их применение / Отомэсён. Automation.- 1987.- Vol. 32, № 5.-C. 31-35.
© Т.В. Ларина, 2011
