Информационно – измерительная система удалённого действия для контроля светового излучения

      Уже говорилось, что в промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве, вообще во всем народном хозяйстве страны довольно широко используются ИИС. В связи с применением микропроцессорных средств существенно расширяются возможности ИИС. Они становятся незаменимой составной частью роботов и др. Автоматизированный контроль и испытания продукции производятся в основном с помощью ИИС.

      Перед тем как закончить краткий  очерк основных областей применения ИИС, нужно отметить, что реализация ИИС, особенно встроенных в конкретную аппаратуру, установку и т. п., может  быть не выделена конструктивно и  не отражена в названии. Так, испытательный стенд, станция, аппаратура, отдельная часть АСУ каким-либо технологическим процессом и т. п. нередко содержат в своем составе какую-либо разновидность ИИС. Другими словами, на практике часто встречаются используемые, но не выделенные особо в явном виде ИИС.

      В настоящее время создается и  начинает использоваться третье поколение  ИИС, в котором, как можно предполагать, более широкое применение получат  системные измерительные преобразователи (голографические, телевизионные, рентгенографические и т. п.), позволяющие подобно рецепторным полям биологических анализаторов воспринимать поля исследуемых величин. Рассредоточение вычислительной мощности по различным уровням и блокам ИИС может уменьшить потоки информации, сократить общее время обработки, повысить надежность работы системы. В ИИС будет более широко осуществляться многофункциональная обработка измерительной информации, благодаря рациональному сочетанию средств с жесткой структурой (аппаратная реализация) и гибкими перестраиваемыми структурами и программами работы. Будут созданы измерительные, контрольные и другие роботы. В быстродействующих ИИС, работающих в реальном времени, будут объединены процедуры измерения и обработки информации. Существенно расширится применение устройств памяти. Будут широко, использоваться выпускаемые промышленностью наборы функциональных устройств, объединяемых стандартными интерфейсами. Большое значение приобретут диалоговые режимы работы оператора с ИИС. В элементной базе резко увеличится доля интегральных микросхем большой и сверхбольшой степени интеграции.

      Следует отметить, что появление нового поколения  ИИС не перечеркивает существование  предыдущего, а берет из него наиболее важное и рациональное.

    Современные системы автоматизации производства требуют статистических и информационных данных, позволяющих оценить затраты, предотвратить убытки, оптимизировать управление производственным процессом, повысить эффективность использования сырья. Этот постоянно возрастающий спрос на информацию приводит к необходимости применения в системах контроля не простых сигнализаторов, а средств, обеспечивающих непрерывное измерение. 
 
 
 
 
 
 
 

    1 Обзор методов  решения аналогичных  задач 

    Лишь с помощью оптических датчиков можно бесконтактно измерить ряд физических величин, как, например, перемещений, вибраций, температуры, светового излучения и т. д.. При этом информация передается не по кабелю, а световыми волнами, которые могут изменяться по интенсивности, фазе, цвету или геометрическому распределению в пространстве и поэтому оказываются пригодными для получения и передачи информации. Достаточно простым оптическим датчиком является, например, фотоячейка. Она состоит из источника света (лампы накаливания или светодиода) и приемника (фотодиода или фоторезистора). Нарушение передачи света от источника к приемнику служит информацией о нахождении объекта в фотоячейке. Если число импульсов отнести к единице времени, то, например, при конвейерном производстве можно получить информацию о количестве деталей, изготовленных за 1 час или даже за день.

    Основные  принципы

    Преобразование  оптического сигнала в электрический  осуществляется детекторами излучения, использующими различные физические эффекты. Но существует три типа детекторов излучения, наиболее часто применяемых в оптических датчиках, а именно фотодиоды, фоторезисторы и приемники теплового излучения (ИК-датчики).

    Фотодиоды

    При облучении кремниевых фотодиодов светом в них возникает напряжение, определенным образом зависящее от силы света. Эффект, вызывающий возникновение этого напряжения, называется внутренним фотоэффектом.

    На  практике чаще всего применяют pin-диоды. «Эти диоды имеют слоистую структуру (рисунок – 1.2), в которой тонкие проводящие слои p и n –типа разделены областью нелегированного высокоомного кремния (i). При попадании на pi – переход световых лучей достаточно высокой энергии (E = hv) возникает фототок I (ток короткого замыкания) порядка 0.1...1 А/Вт. Чувствительность такого фотодиода очень сильно зависит от длины волны (цвета) используемого излучения.

    Обозначенная  здесь через Q.E – квантовая эффективность характеризует отношение числа фотонов, попавших на диод, к числу электронов, возникших в виде фототока I.

    Фототок I изменяется линейно в зависимости от интенсивности падающего света при ее изменении в пределах более 6 порядков, так что возможна прямая индикация интенсивности света.

    Нижняя  область этой характеристики ограничена шумами (шумы Джонсона, шумы темнового  тока и шумы дробного эффекта). 
 
 
 
 
 

      
 
 
 
 
 
 

    Рисунок 1.2 – Структура pin–диода. 

    Для определения разрешающей способности датчика основное значение имеет эквивалентная мощность шума (ЭМШ). Этот параметр определяется как отношение шумового тока (в А/Гц) к чувствительности к световому потоку (в А/Вт) при отношении сигнал/шум, равном 1. Поскольку чувствительность к лучевому потоку зависит от длины волны, то это же справедливо и для параметра ЭМШ. Изготовители детекторов излучения чаще всего указывают значение ЭМШ в максимуме кривой чувствительности, причем почти всегда у обычных детекторов излучения оно составляет примерно 10 Вт/Гц. 

    Фоторезисторы

    У некоторых материалов (например, CdS, CdSe, PbS, PbSe) электрическое сопротивление изменяется под действием света из-за образования электронно-дырочных пар. Возникающие при этом свободные носители заряда вызывают резкое снижение сопротивления. На рис. 8.0.7 показана зависимость сопротивления такого датчика при различной освещенности (измеренной в люксах). В зависимости от силы света оно изменяется от 100 до 1 кОм. Спектральная чувствительность (рисунок 1.3)  определяется выбором материала. Так CdS обладает максимальной чувствительностью в зеленой области спектра и поэтому особенно пригоден для применения в измерителях освещенности. В противоположность этому максимум спектральной чувствительности CdSe находится в красной области, а у фоторезисторов из PbS/PbSe – даже в ИК-области.

      

    Рисунок 1.3 – Распределение спектральной чувствительности различных фоторезисторов. 

    Датчики Ик – излучения

    Для ИК-диапазона от 0,8 до 12 мкм существует множество датчиков излучения (рисунок 1.4) на основе селенида свинца (PbSe), сульфида свинца (PbS), арсенида индия (InAs), антимонида индия (InSb) и германия, а также пироэлектрические детекторы

    

    Рисунок 1.4 – Характеристики спектральной чувствительности различных датчиков ИК-излучения.

    При резком воздействии ИК-излучения на пироэлектрический детектор, вызывающем его нагрев, напряжение или ток (в зависимости от вида схемы) изменяются лишь кратковременно, а затем спадают до нуля даже и при сохраняющемся действии облучения.

    Эквивалентную схему пироэлектрического детектора можно представить в виде параллельного (при измерении тока) или последовательного (при измерении напряжения) соединения конденсатора и генератора (источника тока или напряжения), как показано на рисунке 1.5. Чувствительность как по току, так и по напряжению зависит от частоты падающего излучения. Ниже 10 Гц предпочтительно усиление по напряжению, тогда как в случае высокочастотных широкополосных сигналов более целесообразно усиление по току.

      
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Рисунок 1.5 –Эквивалентная схема пироэлектрического детектора. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    2 Выбор, обоснование  и предварительный  расчет структурной  схемы 

    В качестве датчиков были выбраны датчики  видимого светового излучения LUX LITE, вследствии приведенных выше методов контроля светового излучения. Значит в данной курсовой работе представлена информационно-измерительная система удаленного действия для измерения и контроля светового излучения. Она была реализована на базе модуля ADAM-5017 и десяти датчиков светового излучения.Структурная схема разработанной ИИС представлена на рисунке 6. 

    2.1 Модули серии ADAM-5018 

    Новые серии компактных устройств распределенного  сбора данных и управления ADAM-5017 предназначены для реализации систем с использованием протоколов Fieldbus. Устройства этой серий базируются на стандарте EIA RS-485. Базовый блок ADAM-5000 содержит модуль процессора, преобразователь постоянного напряжения, 4 или 8-позиционную объединительную плату и порты последовательной связи. Блок процессора выполняет следующие функции:

    -прием и дешифрация команд от центрального управляющего компьютера по последовательному каналу связи;

    -управление  модулями ввода/вывода;

    -ввод, предварительная обработка и  преобразование аналоговых и  дискретных сигналов;

    -сравнение  величин аналоговых сигналов с предварительно заданными значениями (уставками);

    -вывод  аналоговых и дискретных сигналов;

    -автоматическая  самодиагностика; 

    -формирование  и передача данных по последовательному  каналу связи. 

    Устройства  ADAM-5000/017 предназначены для реализации распределенных систем, в которых сбор данных и управление исполнительными устройствами осуществляются удаленными многоканальными модулями ввода-вывода. Для организации связи таких модулей с центральным компьютером используется многоточечная сеть на базе интерфейса RS-485 с двухпроводной линией связи.

    Основные  технические характеристики:

    Модуль  процессора.

    •  Тип процессора: 16-разрядный микропроцессор.

    •  Количество обслуживаемых модулей  ввода-вывода: до 8.

    •  Сторожевой таймер: встроен.

    •  Потребляемая мощность: 1,0 Вт.

    Гальваническая  изоляция

    •  Напряжение изоляции интерфейса RS-485: 2500 В пост, тока.

    •  Напряжение изоляции цепей питания: 3000 В пост, тока.

    •  Напряжение изоляции модулей ввода-вывода: 3000 В пост, тока.

    Подсистема  последовательной связи

    •  Сетевой интерфейс: RS-232 или RS-485 для подключения к управляющему устройству.

    •  Скорость обмена: 1200, 2400,4800, 9600,19200, 38400, 57600, 115200 бит/с.

    •  Максимальная протяженность линии  связи: 1200 м.

    •  Сетевой протокол: полудуплексный, символьный ASCII.

    •  Поиск ошибок: с использованием контрольной  суммы.

    •  Формат асинхронной передачи данных: 1 старт-бит, 8 бит данных, 1 стоп-бит, без контроля четности

    •  Максимальное количество узлов сети, управляемых через один последовательный порт: до 256.

    •  Защита портов последовательной связи: подавление импульсных помех в линии связи интерфейса RS-485.

    Подсистема  электропитания

    •  Напряжение питания: нестабилизированное  от 10 до 30 В пост, тока