Сенсор дощу на основі оптичного перетворювача

Щілинні оптопереривачі широко використовуються для визначення швидкості двигуна, на валу якого розміщений ротор, періодично блокуючий оптичний канал, але в автоелектроніці їх застосування обмежене чутливістю до забруднень і температур (зазвичай 80 ° C). Необхідно відзначити, що деякі сучасні пристрої, наприклад інфрачервоні діоди і фототранзистори Honeywell, працюють і при температурах до 125 ° C.

Значною мірою проблему також  вирішує інтерпретація схеми  переривника на основі сенсора Холла (рис. 2.1г), але, на відміну від оптопереривача, до розмірів крильчатки пред'являються вимоги мінімальної ширини лопаті, що у свою чергу обмежує просторовий дозвіл сенсора.

На рисунку 2.2а-г проілюстрована робота рефлективного оптичного сенсора, який функціонує аналогічно, але конструктивно відрізняється тим, що фототранзистор в рефлективному сенсорі перемикається світлом, відбитим від  поверхні.

 

 

Рисунок 2.2 – Оптичний(фотоелектричний) сенсор рефлекторного типу

1 – корпус сенсора; 2 –  світодіод; 3 – фоточутливий елемент; 4 – термінали для монтажу на друкованій платі;

а – конструкція сенсору;

б – сенсор лінійної швидкості(індикація  визначеного лінійного положення); 5 – лінійний ротор з ділянками  з високою відбивною здатністю  та низькою які чергуються;

 в – сенсор кутової  швидкості(індикація визначеного  кутового положення); 5 – обертовий   ротор – крильчатка з ділянками  з високою відбивною здатністю  та низькою які чергуються; 6 –  обертовий вал;

г – сенсор кутової швидкості  зі спеціальною конструкцією ротору; 5 – обертовий ротор з низькою  відбивною здатністю фону(чорного  кольору); 6 – смуги ротора які  чергуються з високою відбивною  здатністю; 7 – обертовий вал.

 

        Світлодіод і фототранзистор рефлективного сенсора розташовані по один бік поверхні досліджуваного об'єкту. Рефлективні сенсори забезпечують більшу гнучкість монтажу, але характеризуються фокусною відстанню (оптимальною відстанню від сенсору до досліджуваного об'єкту), на якому він повинен бути встановлений (зазвичай в межах 2,54-12,7 мм) і відносно якого визначається робочий діапазон пристрою.

При конструюванні рефлективного сенсору найважливішою вимогою до досліджуваної поверхні є її відбивна здатність і якість відображення. Наприклад, для задач визначення швидкості, колір вала двигуна і ротора фарбується чорним (рис. 2.2г), тоді смуги матеріалу на валу забезпечують періодичне переключення сенсору.

Промінь, відбитий від стандартної  поверхні, не сфокусований і являє  собою усічений конус з основою на рефлективнії поверхні, освіченою відбитим конічним світловим пучком світлодіода, що не дозволяє з високою точністю виявити малі об'єкти і обмежує просторову роздільну здатність сенсору. Для того щоб зменшити діаметр відбитого променя, в якості джерел світла застосовуються лазерні світлодіоди, а для фокусування променя на його шляху від світлодіода до фотодетектора в сенсор вбудовуються лінзи.

Похідним від рефлективного типу сенсорів є волоконно-оптичний сенсор переміщення, що містить дві групи волоконної оптики: передавальні волокна, підключені до джерела світла, і волокна приймаючі сигнал , які під'єднані до фотодетектора (фотодіоду) і об'єднані в одному корпусі. Світло від джерела передається через оптоволокно на поверхню цілі і відбивається назад, частина відбитого світла вловлюється приймаючими оптоволокнами і потрапляє на фотодетектор, реєструючий інтенсивність відбиття, яка являє собою нелінійну функцію властивостей поверхні і відстані до цілі. Цей тип сенсорів може потребувати періодичної калібровки.

Рефлективні сенсори використовуються в багатьох сферах - у промисловості або комп'ютерах (сенсори для комп'ютерних мишей). У автоелектроніці даний тип пристроїв застосовується досить широко - наприклад, для контролю положення пасажира, в сенсорах дощу і в перетворювачах, а крім того, стає базовою схемою, цікавою для перетворення вимірювальних концепцій по відношенню до інших типів сенсорів.

 

        2.2 Оптичні перетворювачі

        Оптичні методи досить популярні в автоелектроніці, оскільки принцип їх роботи простий, а точність вища, ніж у електричних методів.

У порівнянні з оптичними перетворювачами магнітні перетворювачі володіють наступними перевагами: працюють в умовах підвищеної забрудненості і високих температур, а також забезпечують зменшене число компонентів. Оптоелектронні схеми досить прості, але магнітні перетворювачі концентрують вимірювальні, обчислювальні та інтерфейсні функції в просторі однієї ІС, в підсумку забезпечуючи загальний малий розмір пристрою і низьку ціну.

Високу точність, здатність  надавати інформацію в цифровій формі, стабільність і завадостійкість  забезпечують саме принципи, що лежать в основі перетворювальних технологій [5, 6]. Саме оптична технологія запропонувала ряд класичних способів для побудови перетворювача - сенсора, що надає інформацію про рух, положення або напрямок або безпосередньо в цифровій формі, або генеруючою послідовністю імпульсів, з якої після оцифровки може бути сформований цифровий код.[7]

 

 

Рисунок 2.3 – Інкрементальний перетворювач – сенсор відносного положення, швидкості та напрямку.

а – б – кутовий інкрементальний перетворювач; в – конструкція вимірювальної голівки; 1 – корпус сенсору; 2 – світлодіод – джерело світла для інкрементальних каналів А і Б;

3,4 – ординарні фотодетектори(фототранзистор чи фотодіод); 5 – світлодіод – джерело світла для індексного каналу; 6 – фотодетектор індексної мітки; 7 – термінали для монтажу на друкованій платі; 8 – елементи для монтажу корпусу; 9 – 4 – бітний перфорований ротор з прорізами; 10 – прорізи для інкремальних каналів; 11 – проріз – індексна мітка; 12 – обертовий вал;

г -  варіант виконання 4 – бітного інкрементального ротору з скла;

д – е – варіанти сигналів інкрементального енкодеру;

д – цифровий інкркментальний енкодер.

 

        2.3 Сенсор дощу на основі оптичного перетворювача

       

        Для адаптації інформації, отриманої за допомогою камер, до різних умов освітлення, а також для реалізації ряду спеціальних функцій, наприклад, коректування підсвічування дисплеїв та індикації кольорів застосовуються сенсори дощу / світла (кольору) (рис. 2.4).

 

Рисунок 2.4 - Сенсори дощу та світла для контролю роботи склоочисників:

 

а - конструкція і принцип дії сенсору дощу і навколишнього світла Bosch;

б - сенсор дощу і світла Hella, інтегрований в дзеркало заднього виду;

в, г - сенсор дощу, світла і сонця Hella, інтегрований в дзеркало разом з камерою LDW (г);

д - сенсор дощу / світла / тунелю Valeo;

е - принцип роботи сенсору:

   характеристики: інфрачервоний і видиме світло підвищує надійність

   системи; режим Stand-by з малим енергоспоживанням (<400 мА); малий

   розмір, легка інтеграція (30 мм діаметр, 10 мм товщина, 45 см довжина);

  рециркуляція повітря в тунелі; оптимізований людино-машинний інтерфейс,

  в залежності від умов освітлення (день / ніч);

1 - система з сенсором  дощу / світла Rain Light Tunnel (RLT) точно розрізняє

різні типи умов освітлення (день, ніч, тунель, гараж, дощ та інші),

2 - система адаптує освітлення автомобіля відповідно до змін у навколишньому освітленні,

2. - система автоматично вмикає систему передніх склоочисників і регулює

швидкість склоочисників в залежності від умов.

 

Для адаптації до різних умов освітленості Hella в своїх системах камер LDW, серійне виробництво яких почнеться в 2006 році, вводить також сенсори світла, дощу і відповідні керуючі пристрої. Майбутні покоління систем LDW націлені на використання з менш структурованим оточенням. Передбачається інтегрування камер LDW і сенсорів світла / дощу в один блок - для зменшення системного простору.

Елементна база сенсорів світла (кольору) пропонується, наприклад, компаніями Taosinc і Vishay .

Типові сенсори дощу, основні виробники яких - компанії Bosch, Denso, Kostal, TRW і Valeo, звичайно являють собою малий фотоелектричний рефлективний сенчор, закріплений на внутрішній поверхні скла, оптичний шлях якого порушують дощові краплі (рис. 2.4а).

 

       Сенсор випромінює світлові промені на вітрове скло під кутом 45 °. Світло відбивається від зовнішньої поверхні вітрового скла і потрапляє в оптичний детектор сенсору. Якщо вода прилипає до зовнішньої поверхні і осідає у вигляді крапель, світловий промінь руйнується, що реєструється фотодетектором. Ця інформація використовується для включення і коректування швидкості склоочисників, що звільняє водія від ручного перемикання. Сенсори дощу в даний час знаходять попит, що збільшується в автомобілях верхнього цінового класу. Поточні моделі сенсорів дощу, наприклад, датчик Bosch, показаний на мал. 2.4а, додатково вимірюють навколишнє світло для включення / виключення фар.

Інтегрований сенсор дощу / світла Hella з мікропроцесором комбінує функції контролю світла і автоматичного контролю склоочисників (рис. 2.4б-р). Доступні додаткові дані, наприклад швидкість і зовнішня температура. Оптичний сенсор світла записує такі дані, як навколишнє світло, світло у фронті автомобіля. Дві роздільних оптичних системи дозволяють точне виявлення умов освітлення (день, сутінки, ніч) і проїзд через тунелі і мости. Це гарантує, що світло автомобіля може бути адаптовано дуже швидко і надійно.

 

Сенсори Valeo Rain Light Tunnel (RLT) (рис. 2.4д-е) надають водієві інформацію про навколишнє освітлення і може диференціювати ситуації: день, ніч, тунель, перехід, дощ, гараж і дерева. За сигналами від бортового комп'ютера, який обробляє інформацію з сенсору, в умовах тунелю автоматично вмикаються фари, при появі дощу автоматично на підходящії швидкості вмикаються склоочисники, що допомагає поліпшувати видимість в поганих погодних умовах і при слабкій освітленості, зменшує відволікання водія від необхідності ручного контролю і привносить внесок в активну дорожню безпеку.

Модулі, розроблені Hella і Valeo, інтегрують як сенсори світла / дощу, так і камери і сенсори кондиціонування повітря, підвищуючи функціональність, мінімізуючи простір для інсталяції, підвищуючи якість і знижуючи ціну (рис. 2.4б-д).

         На рисунку 2.5 зображені схеми  підєднання сенсору дощу.[7]

Рисунок 2.5 – Типові принципові електричні схеми для підєднання сенсорів

а – схема на основі фототранзистора з цифровим виходом;

б – схема на основі фотодіода  з аналоговим імпульсним виходом;

в – схема на основі фотодіода  з цифровим імпульсним виходом;

VD1 – світлодіод; VD2 – фотодіод; VT1 – фототранзистор; R1,R2 – струмообмежуючі резистори.

Переваги оптичних сенсорів:

• безконтактність;
• висока точність;
• стійкість до радіочастотних та магнітних перешкод;
• необхідність малого числа вимірювальних компонентів;
• висока надійність та стабільність;
• здатність надавати інформацію у цифровій формі.

Недоліки:

• чутливість до забруднень;
• відносно низька швидкість перемикання фототранзистора.

 

 

ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ

1. Сысоева С. Автомобильные акселерометры // Компоненты и технологии. 2005. № 8, 9. 2006. № 2-5.
2. Сысоева С. Датчики // Компоненты и технологии. 2005. № 5/1.
3. Ramsden Ed //Choosing a sensor to measure rotation. Cherry Electrical Products. Electronic Products, Sep 1999. www.electronicproducts.com
4. Ball St //Exploring optical and magnetic sensors. Embedded Systems Programming (06.17.03).
5. Lee G., King R // Optical Incremental and Absolute Rotary Encoders,Texas Advanced Optoelectronic Solutions, Plano, Texas. www .taosinc.com
6. Korte R // The Basics Of Encoders, President Heidenhain Corporation.

www .mmsonline.com/articles/ 049703.html

7. Сысоева С. Автомобильные датчики положения // Компоненты и технологии. 2005. № 5/12.