Ćw.4. Światłowodowy czujnik odbiciowy

Transkrypt

1 Ć.4. Śitłoodoy czujnik odbicioy 3.1. Cel ćiczeni Celem ćiczeni jest zpoznnie się z łściościmi czujnik odbicioego ykorzystującego promienionie lser półprzeodnikoego. Wstęp Ćiczenie przedsti metodę pomiru przemieszczeni przy użyciu czujnik śitłoodoego. Czujnik tego typu chrkteryzuje się iększym zkresem pomiroym porónniu do śitłoodoego czujnik drgń i może być ykorzystny np. do monitoroni ruchó oddechoych u nieprzytomnej osoby. Czujnik śitłoodoy może ykryć odksztłceni konstrukcji mostó, kontroloć ruchy robot lbo monitoroć, czy pokonujący długie odległości kieroc nie zsypi. zgdnieni do smodzielnego oprconi: budo śitłoodu; trnsmisj śitł śitłoodzie; sprzężenie źródł śitł ze śitłoodem; pertur numeryczn; klsyfikcj czujnikó śitłoodoych; odbicie śitł 3.. Czujnik śitłoodoy Trnsmisj fli śietlnej floodzie optycznym poleg n utrzymniu strumieni śitł rdzeniu floodu. Rdzeń floodu stnoi ośrodek optycznie przeźroczysty o iększym spółczynniku złmni niż otoczenie rdzeni zne płszczem. Cłkoite odbicie śitł pdjącego pod kątem mniejszym od grnicznego n poierzchnię rozdziłu rdzeni i płszcz, stnoi podstoe pro fizyczne optycznej trnsmisji floej. W konstrukcji czujnikó śitłoodoych uży się floodó o przekroju kołoym rdzeni. Podstoym mteriłem śitłoodó jest szkło, które mięknie ze zrostem tempertury, utrzymując łsności rczej cił stłego niż cieczy. Lepkość szkł jest głóną łsnością umożliijącą formonie śitłoodó. Czyste szkło krcoe otrzymuje się przez utlenienie czterochlorku krzemu rekcji. Tor promieni śitł rdzeniu łókn zleży od spółczynnik złmni płszczyźnie przekroju poprzecznego łókn i kt pdni promieni zględem poierzchni styku rdzeń-płszcz. W śitłoodzie mogą biec tylko te promienie, które pdją pod określonym kątem do osi śitłoodu. Krytycznej rtości kąt θ kr odpoid kąt kceptcji śitłoodu. Wrtość funkcji sinus tego kąt określ pertur numeryczn AN śitłoodu skokoego.

2 θ AN sinθ Rys.3.1. Akceptcj przez śitłoód promieni śitł chodzących stożek o kącie ierzchołkoym rónym połoie kąt θ kr Wrtości pertury numerycznej śitłoodu runkuje efektyność sprzężeni śitłoodu ze źródłem śitł, złszcz diodą elektroluminescencyjną (DEL) i lserem półprzeodnikoym. Diod elektroluminescencyjn promieniuje prktycznie przedzile kt półpełnego. Aczkoliek mksimum promienioni przypd sąsiedztie normlnej do poierzchni, to jednk około połoy mocy zier się stożku ±30º (kąt rozrci~60º). Wynik stąd nieuchronność strt sprzężeni, spoodon różnicą rtości stożk kceptcji śitłoodu i kąt rozrci promienioni diody. Ntomist kąty rozrci promienioni lseró półprzeodnikoych są zncznie mniejsze i ynoszą od kilku do kilkudziesięciu stopni. Dltego skuteczność sprzężeni lseró z łóknem optycznym jest zncznie lepsz. 3.3.Przebieg ćiczeni Wiązk lsero z lser półprzeodnikoego prodzon jest do śitłoodu poprzez soczekę, po yjściu z tego śitłoodu pd n poierzchnię lustrzną. Śitło lseroe odbite od tej poierzchni pd n drugi śitłoód, którym ędruje do fotodetektor l Rys.3.. Czujnik odbicioy Położenie lustr l zmienimy począszy od rtości zeroej, czyli śitłoody punkcie strtoym dotykją lustr. Cłkoitą moc promienioni opuszczjącego pierszy śitłoód oznczmy przez P o, ntomist moc promienioni chodzącego do drugiego śitłoodu przez P. To, że moc P o jest mniejsz od mocy P, ynik z dóch czynnikó. Po piersze czoło drugiego śitłoodu, znjdujące się penej odległości od pierszego śitłoodu, m rozmir mniejszy od szerokości iązki śitł dnym

3 miejscu. Ponież szerokość iązki o kącie rozrtości θ jest corz iększ z odległością, to corz mniejszy procent śitł emitonego przez pierszy śitłoód pd n drugi śitłoód. Czynnik ten stnoi poszechną przyczynę zmniejszni się ntężeni ośietleni rz z odległością od źródł śitł. Po drugie, osie obu rónoległych śitłoodó znjdują się penej odległość d od siebie. Oczyiście d jest iększ od sumy promieni rdzeni obu śitłoodó. Dltego, dl bliskich odległości l, nie cłe czoło rdzeni drugiego śitłoodu jest ośietlone przez iązkę śitł ychodzącą z rdzeni pierszego śitłoodu. P/P o Rys.3.3. Chrkterystyk przetrzni Występują tutj d przecistne mechnizmy: piersz część chrkterystyki przeż niej poiększnie się ośietlonej części poierzchni czołoej rmieni odbiorczego rz z odległością l, drug część chrkterystyki ystępuje zmniejsznie się ntężeni ośietleni rz z odległością. Jeżeli rdzeń śitłoodu m średnicę dużo iększą od długości fli (śitłoód ielomodoy), to rozkłd ntężeni zleżności od odległości r od osi iązki dl śitł opuszczjącego śitłoód jest przybliżeniu stły dl r< (z) i róny zero dl r> (z). Ntężenie ośietleni dl r< (z) doolnym punkcie iązki śitł emitonego przez pierszy śitłoód określmy z zleżności: I P π e gdzie: P e moc promienioni, (z) promień podsty stożk śietlnego określony z zleżności: + l tgθ Kąt kceptcji θ orz (z) obliczmy mjąc dne: spółczynnik złmni rdzeni n 1 1,458 mm, średnic rdzeni 0,85 mm, spółczynnik złmni płszcz n 1,430

4 NA sinθ θ 16,5 o n 1 n 0,84 Rys.3.4. Stożek śietny ytorzony przez rmię trnsmitujące Rys.3.5. Położenie rmieni odbierjącego stożku śietlnym (tutj kolizj oznczeń: zmist odległość pomiędzy śitłoodmi ynosi d1,4mm)

5 d α α 1 Rys.3.6. Stożek śietlny o promieniu (z) nie pełni ośietl rmię odbierjące Dl d < (z) < d+ ośietlną poierzchnię S (z) obliczmy z zleżności: S π O1 + O Celem obliczeni pól odcinkó kół O 1 i O obliczmy njpier kąty α 1 i α : cosα 1 d d cosα + d d Pole odcink O 1 n kole o promieniu obliczmy z zleżności: O 1 π α1 360 sin α Pole odcink O n kole o promieniu (z) obliczmy z zleżności: 1 O ) ) π ( z α ( z sin α 360 Odbierny sygnł optyczny określmy z zleżności:

6 P S Pe π Dl (z) > d+ (duże l) odbierny sygnł optyczny określmy z nstępujących zleżności: S S π P P e π π Rys.3.7. Stożek śietlny pełni ośietl rmię odbierjące Dl (z) < d (młe l) odbierny sygnł optyczny określmy z nstępujących zleżności: 3.4. Wykonnie ćiczeni S 0 0 P Njpier sprdzmy dziłnie ukłdu pomiroego doprodzjąc do uzyskni odpoiedniego npięci n detektorze. Nstępnie zmienimy odległość rozpoczynjąc od minimlnej z krokiem dobrnym przez prodzącego. Odczytujemy skzni detektor, yniki pomiró zpisujemy tbelce. Przy oprconiu sprozdni ykonujemy ykres npięci n detektorze funkcji odległości. Nstępnie ybiermy punkty leżące zkresie linioości i dopsoujemy prostą, kryterium dopsoni jest uzysknie spółczynnik korelcji iększego od 0,998 le leżącego njbliżej tej rtości. N podstie ynikó dopsoni określmy czułość i zkres pomiroy bdnego czujnik. W nstępnym etpie yliczmy teoretycznie chrkterystykę tego czujnik, do dopsoni prmetró obliczeń teoretycznych użymy punktó pomiroych leżących okolicy środk zkresu linioości. Wykonujemy ykres teoretycznej chrkterystyki czujnik. Wyniki porónni obu chrkterystyk, łsne spostrzeżeni i ugi zpisujemy e nioskch.