Размещено на http://www.allbest.ru/





Аннотация

Разработка оптического датчика угловых перемещений.

Авторы: Васильев А.С., Дубовицкая Н.Н., Ледовский А.А.

Научный руководитель: Тув А.Л.

В работе были рассмотрены различные виды датчиков, применяющихся для измерения угловых перемещений. Был проведен анализ влияния внешних факторов, таких как солнечный свет. На основании полученных данных был разработан рабочий макет датчика, позволяющий измерять угловое перемещение. В работе также было проведено математическое моделирование для описания зависимости энергии на фотодиоде от угла поворота отражающей поверхности. Также был разработан алгоритм работы датчика, учитывающий компенсацию неинформативных факторов. Сформированы требования к электрической схеме, а также проведен ряд экспериментов с целью проверки работоспособности готового датчика.

Общий объем работы 70 страниц. Библиографический список состоит из 7 источников. В работе 29 иллюстраций и 4 таблиц.

Development of an optical angle meter.

Authors: Vasilyev A.S., Dubovitskaia N.N., Ledovsky A.A.

Supervisor: Tuv A.L.

In this work, various types of sensors used to measure angular displacements were considered. An analysis of the influence of external factors, such as sunlight, was made. Based on the data obtained, a working model of the sensor was developed, which allows measuring angular displacement. The paper also carried out mathematical modeling to describe the dependence of the energy on the photodiode on the angle of rotation of the reflecting surface. The algorithm of the sensor operation was also developed, taking into account the compensation of non-informative factors. Formed requirements for the electrical circuit, as well as a series of experiments to verify the performance of the finished sensor.

The total amount of work is 70 pages. The bibliographic list consists of 7 sources. There are 29 illustrations and 4 tables in this paper.

Введение

В современном мире задачи бесконтактного измерения перемещений является актуальной. датчик угловой перемещение

Датчик перемещения - это прибор, предназначенный для определения линейного или углового механического перемещения какого-либо объекта [1]. Любой такой прибор, вне зависимости от того предназначен он для измерения линейного перемещения или же углового, осуществляет преобразование перемещения в аналоговый или цифровой сигнал. Такой сигнал поступает в вычислительный блок, принцип работы которого влияет на точность измерительных характеристик.

Оптические датчики перемещений широко используются на производстве и проведении научных исследований. Особое место занимают датчики угловых перемещений. На современных производствах есть ряд задач, которые невозможно выполнить без измерения малого углового перемещения, при этом необходимо обеспечить точность измерений в несколько минут.

Представленные на рынке средства измерения (какие) обладают высокой стоимостью. В тоже время использование оптических методов для бесконтактного измерения угловых перемещений предоставляет возможность получения датчика, обладающего высокими метрологическими характеристиками и низкой стоимостью.

Поэтому, целью данной работы является разработка оптического датчика с максимально возможной точностью и минимальными затратами на производство. Для этого необходимо провести математическое моделирование датчика, исследовать влияние неинформативных факторов на результаты измерения, разработать алгоритм получения измерительной информации датчиком, спроектировать электрическую схему, разработать встраиваемое ПО для микроконтроллера датчика, разработать протокол обмена между датчиком и системной библиотекой ПК, а также пользовательский интерфейс для взаимодействия с датчиком со стороны компьютера. Также необходимо изготовить действующий макет и провести оценку полученных характеристик на макете.

Задачами математического моделирования в данной работе являются:

1. разработка математической модели попадания в фотодиод лучей светодиода после отражения исследуемой поверхностью

2. разработка математической зависимости светового потока светодиода, попадающего в фотодиод после отражения поверхностью

3. Анализ возможности применения интегрированных сред для моделирования оптического преобразователя перемещений

4. Разработка программы расчета энергии фотодиода

5. Проведение математического моделирования и получение расчетных данных

6. Проверка адекватности полученной математической модели сравнением экспериментальных данных с расчетными

7. Анализ результатов математического моделирования и расчет оптимальной конструкции датчика

Задачами разработки электрической схемы являются:

1. Анализ способов преобразования выходного сигнала фотодиода в напряжение

2. Выбор метода оцифровки входного сигнала

3. Разработка структуры преобразователя угловых перемещений

4. Разработка алгоритма работы преобразователя

5. Разработка электрической принципиальной схемы первичного преобразователя

6. Разработка микроконтроллерного модуля обработки входных данных и сопряжения с ПК

Задачами части разработка системного и пользовательского ПО для ПК являются:

1. Анализ возможности использовании технологии СОМ при разработке ПО управления и настройки прибора

2. Разработка программной библиотеки для использования функционала датчика сторонним ПО

3. Разработка утилиты индикации результатов измерений

4. Отладка разработанного ПО

Новизна разрабатываемого модуля обусловлена разработанным алгоритмом калибровки, который позволить унифицировать все производимые датчики, так как в силу разрабатываемой конструкции изначальные показания до калибровки могут значительно разниться. Практическая значимость разработки данного устройство заключается в его бесконтактности. Это позволяет избежать лишних соприкосновений с отражающей поверхностью, что может впоследствии привести к порче всего датчика.

Анализ существующих методов измерения перемещений

Для выбора оптимального типа датчика, который удовлетворял бы поставленным целям, необходимо проанализировать уже существующие виды датчиков. На сегодняшний день их существует колоссальное множество. Все они различаются по принципу действия, цене и заявленной точности. Такие большие различия среди датчиков перемещения возможно объяснить тем, что все они применяются в совершенно разных областях, однако их всех можно классифицировать по двум основным категориям, а именно: датчики линейного перемещения и датчики углового перемещения. Стоит отметить что сами датчики перемещения - это приборы, предназначенные для определения величины перемещения объекта, которое, как сказано выше, может быть линейным или же угловым. В данной работе основное внимание будет уделено датчикам углового перемещения.

Большое количество различных типов датчиков обусловлено широким спектром областей их применения, а следовательно и различными типами задач, которые они решают.

Емкостные датчики

Одним из первых типов датчиков перемещения, на который стоит обратить внимание и который сыскал довольно широкое применение в машиностроении, различных измерительных комплексах, энергетике и строительстве являются достаточно новые на данный момент приборы - малогабаритные емкостные инклинометры. Так как их электрический выходной сигнал пропорционален углу наклона датчика, они могут использоваться как для контроля угла наклона автомобильных и железных дорог, так и для определения перемещения различного рода вращающихся объектов. При этом, стоит отметить, что данные объекты могут быть как подвижные, так и статичные.

Для описания работы емкостных преобразователей углового перемещения для начала необходимо понять принцип действия датчиков линейного перемещения, так как они работают по одним законам.

Принцип работы емкостных датчиков перемещения

Датчики линейного перемещения

Для описания действия емкостных датчиков линейного перемещения для начала стоит упомянуть, что существует две различные конструкции, каждая из которых удовлетворяет различным требованиям. Датчики с переменной площадью электродов зачастую используют для измерения больших перемещений, в то время как датчики с переменным зазором между электродами принято использовать для определения гораздо меньших перемещений.

Рассматривать принцип действия данных датчиков стоит на примере простейшей конструкции, которая состоит из одиночного конденсатора. На рисунке представлены схемы различных одноемкостных датчиков перемещения. Их емкости описываются следующими формулами соответственно:

а)		б)		в)

Рис. 1. Схемы одноемкостных датчиков перемещений

Емкости в данных датчика изменяются при перемещении на величину подвижной части конденсатора, обозначенной на схемах цифрой 1, относительно неподвижной, обозначенной на схемах соответственно цифрой 2.

Датчики углового перемещения

Еще раз отдельно стоит упомянуть, что принцип действий емкостных датчиков углового перемещения почти полностью подобен принципу расчета линейных перемещений. Таким образом, так же как и в случае с измерением линейного перемещения, конструкцию с переменной площадью электродов гораздо более целесообразно использовать при проведении измерений, затрагивающих не слишком малые диапазоны.

Чаще всего, для измерения угловых перемещений используют многосекционных конструкции с переменной площадью обкладок конденсатора. Пример таких конструкций показан на рисунке.

а)		б)

Рис. 2. Схемы датчиков угловых перемещений

Принцип действия подобных датчиков довольно прост. Он заключается в том, что при проведении измерений, один из электродов конденсатора крепится напрямую к объекту. При вращении происходит его смещение относительно неподвижного, что приводит к изменению площади перекрытия пластин конденсатора. В свою очередь именно это ведет к изменениям емкости конденсатора, что собственно и фиксируется схемой.

Инклинометры

Еще одним типом емкостных датчиков, измеряющих угловое перемещения являются инклинометры. Так они известны как датчики клина, так как представляют собой дифференциальный емкостной преобразователь наклона. Он включает в себя чувствительный элемент, частая форма которого капсула. Его устройство представлено на рисунке.



Рис. 3. Устройство емкостного инклинометра.

На данном рисунке под цифрой 1 отмечены подложки с двумя планарными электродами, покрытыми изолирующим слоем. Корпус, к которому герметично закреплены электроды отмечен цифрой 2. Проводящая жидкость, которая в силу конструкции частично заполняет внутреннюю полость корпуса отмечена соответственно цифрой 3. Она является общим электродом чувствительного элемента. Дифференциальный конденсатор образуется общим электродом с планарными. Величина емкости такого конденсатора линейно зависит от положения корпуса в вертикальной плоскости и пропорциональна выходному сигналу датчика. Таким образом выходной сигнал линейно зависит от угла наклона рабочей плоскости, при этом показания нерабочей плоскости почти не изменяются. Также стоит отметить, что сигнал практически не зависит от изменения температуры.

Оптические датчики перемещения

Самыми простыми в конструкции, а также самыми дешевыми в производстве являются оптические датчики перемещения, использующие в своей конструкции светодиоды в сочетании с чувствительным элементом - фотодиодом.

Принцип действия таких датчиков довольно прост. Свет со светодиода попадает на отражающую поверхность, от которой в свою очередь отражается и попадает на фотодиод. При распространении света от источника к приемнику потери энергии напрямую зависят от состояния внешней среды.

Таким образом низкая стоимость таких датчиков обусловлена простотой их конструкции, однако спектр их применения не является самым широким среди других возможных конструкция датчиков угловых перемещений. Чаще всего, такая конструкция датчика используется для измерения малых угловых перемещений.

Оптические энкодеры

Оптический энкодер - это датчик, который используется для преобразования в цифровой сигнал линейного или же углового перемещения. В состав современного энкодера входят 3 основных элемента: источник света, вращающийся диск с метка и приемник, который является детектором светового сигнала.

Световые сигналы, генерируемые источником света, детектируются приемным световым элементом, далее подсчитываются и преобразуются в последовательность прямоугольных электрических импульсов, при помощи электронных микросхем, располагающихся внутри корпуса энкодера. Это и является главной задачей оптического энкодера: преобразование механического перемещения в электрические импульсы. Устройство современного энкодера представлено на рисунке снизу.

Рис. 4. Устройство энкодера

Работа оптического энкодера - основана на принципе оптического сканирования светового потока и преобразовании его в последовательность аналоговых или цифровых сигналов.

Одним из основных элементов энкодера является вращающийся, хорошо отцентрованный диск, с расположенной на нём сеткой или, так называемой, кодовой матрицей (кодовым рисунком), состоящим из набора меток (рисок).

У инкрементальных энкодеров метки на диске расположены последовательно, а у абсолютных энкодеров метки на диске формируют кодированные рисунки, которые делятся на сектора.

Индуктивные датчики

Индуктивные датчики - это бесконтактные устройства в герметичном корпусе, что позволяет их использовать во взрывопожароопасных средах, помещениях повышенной влажности, уличных условиях эксплуатации. Отсутствие движущихся частей и контактов, многократно увеличивает ресурс работы, надежность, по отношению к механическим аналогам.

Универсальность индуктивных элементов, простота монтажа и подключения, доступная стоимость дают возможность их применения во всех сферах жизни.

Индуктивные датчики, несмотря на различную специфику, имеют схожее внутреннее устройство. Металлический либо пластиковый корпус, залитый компаундом (электроизоляционный состав на основе эпоксидных смол, полимеров, битума), внутри располагаются генератор электромагнитного поля и триггер (в аналоговых устройствах детектор), индикатор состояния (светодиод), усилитель сигнала.

Генератор состоит из полупроводникового элемента, производящего ток определенной частоты, который через катушку индуктивности, с ферритовым сердечником, создает переменное магнитное поле.

При вхождении в зону чувствительности датчика, токопроводящего материала (металлического сигнального флажка или другого исполнительного элемента), индуктивность системы меняется, в свою очередь, воздействуют на амплитуду тока генератора. По достижении значений срабатывания, на триггере, формируется управляющий сигнал.

Усилитель увеличивает мощность импульса до необходимых значений, после чего, в зависимости от назначения прибора, он подается на коммутационный блок (размыкает - замыкает цепь) или далее, на средство измерения или АСУ.

По устройству датчики подразделяют на:

? одинарные - с одним магнитопроводом, ветвью измерения. Схема реализована в бесконтактных выключателях;

? дифференциальные - с двумя магнитопроводами ш-образной формы, взаимно компенсирующим воздействие на сердечник, что повышает чувствительность и точность измерений. По сути, представляют собой систему двух одинарных датчиков, с общим якорем;

? трансформаторные - коэффициент трансформации изменяется при перемещении якоря, генерируя определенное напряжение на выходе вторичной обмотки. Принцип используется в элементах фиксации угловых, небольших линейных перемещений.

Индуктивные датчики работают как на постоянном токе (напряжение 12, 24, 42, 60 В), так и на переменном (до 220 В). Характеризуются следующими параметрами:

? максимальный ток;

? частота переключений - для большинства моделей до 1-5 кГц;

? предел срабатывания - минимальное значение физической величины, вызывающее отклик;

? скорость срабатывания (в микросекундах);

? климатическое исполнение - диапазон температур, при которых устройство гарантированно работает (от -400С до +600С).

Преимуществами индуктивных элементов, перед аналогичными устройствами других принципов действия, являются:

? надежность конструкции - отсутствие движущихся элементов, контактов, полная герметичность, прочность;

? ресурс работы до 10 лет, не требуют какого-либо обслуживания;

? высокая чувствительность, скорость и частота срабатывания;

? мощность выходного сигнала до 100 Вт и выше;

? доступность, широкий выбор типов и производителей.

Недостатки:

? требовательны к "чистоте" и постоянству питающего тока;

? чувствительны к воздействию внешних магнитных полей, возможно искажение выходного сигнала.

Индуктивный датчик положения позволяет фиксировать перемещение объекта расстоянием от нескольких микрометров до сантиметров. По устройству, в большинстве случаев, это дифференциальный трансформатор. Ток со вторичной обмотки подается на систему автоматизированного управления, которая контролирует работу всего агрегата, линии, машины. По такому же принципу устроены элементы измерения углов поворота.

Таблица 1. Сравнительный анализ методик измерения перемещений

Принцип действия датчика	Достоинства	Недостатки	Основные характеристики существующих датчиков
Емкостной	Простота конструкции. Простота принципов работы. Широкий спектр применения. Низкая чувствительность к изменениям окружающей среды. Возможность встраивания датчика в другие сложные конструкции для проведения измерений. Малое энергопотребление	Возможность повысить чувствительность датчика только на частоте превышающую промышленную. Возможность ложных срабатываний при плохих погодных условиях. Необходимость повышенной защиты.	Диапазон измерения: 360 градусов Чувствительность:
Оптический	Возможность реализации бесконтактного датчика. Достаточно высокая точность. При правильной настройке датчика показания не зависят от материала. Малое время задержки.	В зависимости от конструкции возможность высокой стоимости. Слабая устойчивость к условиям внешней среды, окружающей датчик.	Диапазон измерения: Чувствительность:
Индуктивный	Отсутствие механического износа. Отсутствие влияния окружающей среды или же погодных условий. Низкая вероятность возникновения ложных срабатываний. Возможность реализации бесконтактных измерений.	Низкая чувствительность для применения на высокоточных задачах. Зависимость от частоты питающего напряжения.	Диапазон измерения: Чувствительность:

Как уже было сказано выше, целью данной работы является разработка датчика угловых перемещений, который сочетал бы в себе как дешевизну производства, которая достигается простотой конструкции, так и высокую точность измерений. Также, разрабатываемый модуль должен обладать универсальностью. Она подразумевает под собой возможность измерять перемещение поверхностей с любой отражающей поверхностью.

Исходя из проведенного анализа, можно сделать вывод, что поставленным задачам соответствует два типа датчиков, а именно оптические и емкостные. Оба датчика просты в своей конструкции, а также имеют довольно высокую чувствительность, однако оптические датчики, в отличие от емкостных, позволяют применять бесконтактный метод измерения, что несомненно является их огромным плюсом в сравнении с емкостными. Также оптические датчики не обладают чувствительностью к электрическим и магнитным полям. Именно эти факторы и стали основными в принятии решения о конструкции датчика.

Дальнейшая работа будет посвящена разработке оптического датчика угловых перемещений.

Разработка математической модели датчики

Для создания оптического датчика угловых перемещений для начала необходимо определиться с принципом и алгоритмом его работы. Для этого необходимо разработать математическую модель, которая могла бы описать поведение датчика, что в свою очередь необходимо использовать для разработки методики измерения угловых перемещений и конструктивных особенностей датчика.

При падении луча на поверхность, часть его энергии поглощается, остальная энергия распространяется в отраженном луче.

В таблице ниже представлен коэффициент отражения различных металлов:

Таблица 2. Коэффициент отражения

Материал	Коэффициент отражения
Алюминий: анодированный	0,85 - 0,9
полированный	0,65 - 0,75
матовый	0,55 - 0,6
Блестящий хром	0,6 - 0,7
Полированная латунь	0,5 - 0,6
Полированная сталь	0,55 - 0,6
Полированный никель	0,55 - 0,6

На рис. 5 приведена схема оптического датчика перемещений. В основу работы датчика положен принцип оптической триангуляции. Светодиод, который возможно принимать за материальную точку испускает световой поток, который в дальнейшем отражается от плоскости и попадает на фотодиод. Известен угол излучения светового потока, ширина фотодиода, энергия светового потока E0, излучаемая светодиодом.

Для проведения математического моделирования была выбрана простейшая конструкция датчика (рис. 5), представляющая из себя 2 материальные точки светодиода L и фотодиода P, расположенные на одной плоскости предполагаемого датчика и плоскость отражающей поверхности, угол которой будет варьироваться при моделировании относительно плоскости датчика.

Исходными данными при моделировании являются расстояние w между светодиодом L и фотодиодом P, измеряемое в миллиметрах, расстояние h между плоскостью датчика и плоскостью отражения (перпендикуляр проведенный из точки L из плоскости датчика до отражающей поверхности) и угол наклона отражающей поверхности .

Также известно, что угол падения относительно нормали поверхности равен углу отражения. Назовем его . А угол между падающим и отраженным лучами .

Искомыми данными являются угол луча исходящего из светодиода L относительно нормали датчика и угол этого же луча только уже отраженного от поверхности к нормали точки фотодиода P.

Необходимо получить формульную зависимость углов и от исходных данных.

Рис. 5. Простейшая конструкция датчика, использованная для проведения математического моделирования.

Найдем данную зависимость:

;

;

;

;

;

;

Получение требуемого значения угла из приведенных выше формул явным образом затруднительно, поэтому формула для была сгенерирована с помощью математического сервиса WolframAlpha.

Так как заранее была выбрана элементная база, все математическое моделирование проводится на основании предположения, что в конструкции использованы диоды серии TSAL4400. Исходя из документации этого диода, угол распространения лучей от нормали равен примерно 60 градусов. Известно, что каждый луч диода несет определенное количество энергии, которое непосредственно зависит от угла его падения относительно перпендикуляра плоскости, в которой расположен светодиод.

В данном математическом моделировании данный угол падения обозначен как угол . Количество энергии, которое переносит каждый луч можно вычислить исходя из графика пространственного распределения, который представлен на рисунке ниже.

Рис. 6. Пространственное распределение энергии относительно угла

Согласно документации, угол расхождения светового конуса равен 120°. Было принято решение, что для получение достоверной математической модели, достаточно будет разделить каждый угол данного диапазона на 100 лучей, которые переносят с собой энергию k.

Как уже было сказано выше, диод можно принять за материальную точку, однако у фотодиода есть конкретные габариты. При выведении зависимости энергии, которая попадает на фотодиод после отражения, было принято, что диаметр приемной части фотодиода равен d. Таким образом, данная математическая модель находит крайние углы в, которые попадают на фотодиод с учетом его диаметра.

Следующей задачей было определить конкретное количество лучей, которые попадают на фотодиод с учетом того, что весь световой конус светодиода было принято разделить на 12000 лучей. Так как известны крайние углы лучей, которые будут попадать на фотодиод, не составило труда подсчитать количество лучей, попадающих в этот диапазон.

После того как установлен диапазон углов, которые несут информативное значение для определения углового перемещения плоскости, учитывается и суммируется переносимая энергия каждого из лучей.

Количество лучей, попадающих на фотодиод, напрямую зависит от расстояния между диодом и фотодиодом, высотой до отражающей поверхности, а также от ее угла наклона.

Зависимость чувствительности фотодиода от угла - угла попадания на него лучей представлена на рисунке 7.

Рис. 7. Зависимость чувствительности фотодиода от угла

Таким образом, благодаря проведенному математическому моделированию была выведена зависимость энергии, попадающей на фотодиод от:

? расстояния между диодом и фотодиодом,

? расстояния от плоскости свето- и фотодиодов до отражающей поверхности

? угла наклона отражающей поверхности

Также были получены следующие графики:

Проверка адекватности математической модели

Как уже было сказано выше, математическая модель была создана для моделирования принципов работы и анализа возможного алгоритма обработки данных датчиком. Для того чтобы подтвердить достоверность полученной модели, чтобы впоследствии представлялось возможным использовать ее для аргументации гипотез, необходимо проверить ее адекватность.

Для проверки правильности функционирования полученной математической модели изначально необходимо проверить действительно ли расстояние от плоскости свето и фотодиодов до отражающей поверхности влияет на показания. На рисунке ниже представлен график зависимости энергии на фотодиоде в зависимости от расстояния до отражающей плоскости.

Рис. 8. График смоделированной зависимости энергии фотодиода от высоты измерений

Провести данный эксперимент и расчет было необходимо с целью выявления оптимальной высоты для проведения дальнейших опытов. В результате математического моделирования, исходя из полученных данных, представленных на графике ниже, видно, что оптимальная высота, на которой наибольшее количество лучей светодиода будет попадать на фотодиод, а значит обеспечивающая наиболее высокую точность функционирования датчика, располагается в диапазоне от 3 до 5.5 мм.

Полученные данные также было решено проверить экспериментально. На графике ниже представлены полученные результаты. При проведении эксперимента были взяты значения напряжения на фотодиоде на 20 высотах. Разница между высотами составляла 2мм. Таким образом, исходя из графика ниже, можно сделать вывод, что данные математического моделирования, относительно оптимальной высоты совпали с данными, полученными экспериментально.

Рис. 9. График зависимости энергии фотодиода от высоты измерений

Следующим этапом при проверке математической модели являлась проверка зависимости значения энергии на фотодиоде от угла поворота отражающей поверхности. Результат зависимости энергии от угла представлен на графике ниже.



Рис. 10. График смоделированной зависимости энергии фотодиода от угла измерений

Также полученный график был сравнен с графиком, полученным по экспериментальным данным.

Рис. 11. График зависимости энергии фотодиода от угла измерений

На данном графике видна зависимость значений напряжения на фотодиоде от угла наклона отражающей поверхности.

При сравнении с полученной математической моделью видны незначительные расхождения - не более 3% по каждому показанию. Такое поведение математической модели обусловлено тем, что она не учитывает потери энергии при отражении от поверхности, а также в воздушной среде

Таким образом, полученные значения не будут кардинально отличаться при введении коэффициентов влияния неинформативных факторов среды, а также коэффициентов поглощения и отражения от поверхности.

Описание конструктивных особенностей датчика

Изначально предполагалось использовать конструкцию, состоящую из 4 светодиодов и четырех фотодиодов соответственно. Схематично данная конструкция изображена на рисунке, где представлен вид сверху:

Рис. 12. Первый вариант конструкции датчика

Нумерация каналов фотодиодов и светодиодов начинается с правого верхнего угла и идет по часовой стрелке. При данной конструкции, график зависимости углового перемещения от напряжения на каналах фотодиода представлен на рисунке 13.



Рис. 13. График зависимости углового перемещения от напряжения

Однако при такой конструкции и таких результатах не представляется возможным интерпретировать зависимость углового перемещения от энергии фотодиода, поскольку в множестве зависимости угла от энергии имеются не уникальные значения.

В связи с этим было решено изменить конструкцию.

Вторым вариантом конструкции являлась, представленная на рисунке 14. От первой отличается наличием центрального светодиода, который светит сразу во все приемные каналы.

Рис. 14. Второй вариант конструкции датчика

Для обоих вариантов конструкции был проведен поиск оптимального расстояния от плоскости расположения свето и фотодиода до отражающей поверхности. Для этого угол наклона отражающей поверхности был установлен равным нулю и было найдено расстояние при котором чувствительность датчика максимальна.

Рис. 15. График зависимости напряжения каналов от высоты измерения

Наибольший наклон кривой на участке графика, представленного на рис., от 0 до 4 мм. Таким образом, наибольшая чувствительность углового перемещения может быть достигнута на высоте 3 мм, так как это является серединой наиболее крутого участка кривой.

Следующим этапом исследования являлось сравнение зависимости данных экспериментальной установки от угловых перемещений и аналогичных данных математической модели.

Значения угловых перемещений, полученные на основе математической модели на высоте, равной 3 мм представлены на рисунке 15:



Рис. 16. График моделирования дневного света

Значения, полученные практически на основе математической модели на высоте, равной 3 мм при отсутствии дневного света:

Рис. 17. График измерения влияния дневного света

Таким образом, можно видеть, что математическая модель верна и абстрактное значение энергии, которой она оперирует прямо пропорциональна напряжению, формируемого светодиодом. Исходя из этого можно сделать вывод об адекватности математической модели: предлагаемая конструкция характеризуется равновеликим увеличением выходного сигнала на паре каналов, мнимая ось которых совпадает с осью плоскости, в которой происходит перемещение и прямо пропорциональным нарастанием и убыванием выходного сигнала на каналах, ось которых перпендикулярна оси поворота.

Разработка алгоритма вычисления углового перемещения

Анализ влияния неинформативных факторов

Анализ влияния характеристик поверхности объекта на результат измерений

В реальных условиях тяжело представить, что отражающая плоскость измеряемого объекта всегда будет одного в одном состоянии - она может быть как зеркальна, что позволит отражать практически весь свет, так и из материала, обладающего недостаточными отражающими свойствами. Компенсировать эту характеристику измеряемого объекта не всегда представляется возможным или разумным, поэтому в этой части рассмотрено не будет. Поэтому, что определить метод компенсации необходимо определить зависимость влияния такой характеристики как коэффициент отражения на результаты измерений. На данный вопрос может ответить математическое моделирование - рассуждать можно исходя формулы коэффициента поглощения. Зная, что он определяется по формуле коэффициента отражения

,

где Ф - поток излучения, падающий на тело; Ф 0 - поток излучения отраженный от тела

Можно сделать вывод, что необходимых результатов моделирования можно достичь увеличивая/уменьшая начальный поток. Моделируя такие выводы можно получить следующую ситуацию, представленную на рисунке 18.



Рис. 18. График моделирования влияния коэффициента поглощения отражающей поверхности

На данном графике представлено следующее:

1. Зеленый график - номинальное значение светового потока на фотодиоде, означающее, что свет отражающей поверхностью не поглощался

2. Оранжевый график - значение светового потока равняется 50% от номинального, что эквивалентно коэффициенту поглощения отражающей поверхности б = 0.5

3. Синий график - световой поток равен 25% от номинального, коэффициенту поглощения отражающей поверхности б = 4

Исходя из этих графиков можно сделать вывод, что чувствительность датчика линейно зависит от коэффициента поглощения отражающей поверхности: при коэффициенте поглощения б = 2 энергия на фотодиоде равна 50% от номинальной энергии, при которой поглощения равен 1; ровно также при коэффициенте поглощения б = 4 энергия на фотодиоде равна 25% от номинальной.

Вышеизложенные выводы означают, что коэффициент поглощения можно компенсировать за счет следующих предположений: если величина энергии в канале (фотодиоде) прямо пропорциональна коэффициенту поглощения, то это справедливо для каждого канала. Для того, чтобы уметь манипулировать всей доступной энергией следует рассматривать симметричные каналы не по отдельности, а сумму значений показаний. Этот вывод основан на предположении, что при соосном повороте (здесь имеется в виду что изменяем угол в плоскости, перпендикулярной мнимой прямой, условно проходящей через "фотодиод-светодиод-фотодиод") энергия, убывает в одном канале и увеличивается на ту же самую величину в другом канале. Таким образом получается, что если для одного канала выполняется равенство

Iрез = Iном* Kпог

где Kпог - коэффициент поглощения отражающей поверхности, Iрез - фактическое значение тока канала, Iном - ток в случае когда Kпог > 0, то для пары каналов оно будет иметь вид:

Iрез = Ich1_ном* Kпог + Ich2_ном* Kпог

где Ich1_ном и Ich3_ном - номинальные токи в случае когда Kпог > 0 для 1 и 3 каналов соответственно. Из последнего тождества следует, что

Iрез = Kпог*(Ich1_ном + Ich2_ном)

Таким образом, сумма значений тока в каналах также прямо пропорциональна коэффициенту поглощения отражающей поверхности.

Исходя из приведенных выше рассуждений можно сделать вывод, что от влияния коэффициента поглощения можно избавиться если расчеты производить относительно частного конкретного канала и суммы наблюдаемых каналов.

Результатом такой операции является безразмерная величина, которая уже не зависит от такого фактора как коэффициент поглощения поверхности и будет справедливая для каждого канала:

С 1 = =

С 2 = =

где С 1 и С 2 множества значений полученные по выборке диапазона углов для каждого канала, лишенные влияния коэффициента поглощения

Анализ влияния внешней засветки на результат измерений

Такой параметр как освещенность окружающей среды вносит свои коррективы в показания измерений. Однако если коэффициент поглощения имел мультипликативный характер воздействия на измерения, то у такого фактора как освещенность этот характер аддитивный. Это означает, что для его компенсации разумным видится взятие показаний с фотодиодов исключительно от внешнего освещения и дальнейшее вычитание этого значения из показаний при включенном диоде. В таком случае получается, что должно выполняться тождество

Iрез = Isun+ Icoat

Результирующий ток фотодиода равен сумме токов от солнца и от свечения светодиода при отсутствии внешнего освещения.

Isun- ток фотодиода, вызванный солнцем

Icoat -ток фотодиода, полученный от свечения светодиода (без внешнего освещения)

Iрез- суммарный ток от этих двух факторов

Данное предположение было проверено опытным путем.

Таблица 3.

angle	sun	jacket	diode+sun (actual)	diode+sun (expected)	accuracy	diode/diode+ sun
-12	-0,16	-2,98	-3,08	-3,14	98,089172	0,967532468
-6	-0,236	-3,12	-3,32	-3,356	98,9272944	0,939759036
0	-0,12	-2,6	-2,64	-2,72	97,0588235	0,984848485
6	-0,08	-1,22	-1,25	-1,3	96,1538462	0,976
12	0,08	-1,17	-1,07	-1,09	98,1651376	1,093457944

Полученная точность свыше 96% дает право проводить все дальнейшие расчеты исходя из истинности данного утверждения.

Дополняя формулы полученные в результате выводов относительно компенсации коэффициента поглощения можно получить следующее:

С 1` =

С 2 `=

где под Cx` подразумевается множество значений при расчете которых был учтен фактор внешнего освещения, ICHx_РЕЗ - величина тока в соответствеющем равная току фотодиода и току от солнца, ICHx_sun- величина тока в соответствующем от солнца

Если предположить, что частота измерений будет много большей, чем возможная скорость изменения внешних условий, то становится справедливым следующий вывод:

С 1` = =

С 2 `= =

Далее можно предположить, что если влияние солнечного света Isun " ICHx_РЕЗ, например, в темное время суток или в помещении со слабым освещением, то данной величиной можно пренебречь, потому что она не сможет внести значительные коррективы в показания, которые могли бы повлиять на точность измерений. Однако если предположить что Isun " ICHx_РЕЗ не выполняется, то придется учитывать эту величину. Следовательно, в любом случае после вышеописанных манипуляций остается только информативный сигнал, лишенный искажений от внешних факторов.

Таким образом, для данных выборок значений получаются следующие графики

Рис. 19. График информативных сигналов

Однако, чтобы с такой характеристикой было удобнее работать - в частности описывать ее наименьшим числом функций (сокращений количества функций с двух до одной влечет 100% прибавку производительности на последующих этапах преобразования данной величины) разумным видится вычитание этих значений - эта математическая операция позволит: во-первых получить одну характеристику вместо двух - с этим в дальнейшем будет удобнее работать, а также, что немаловажно, увеличит размах итоговой характеристики, что позволит с большей достоверностью гарантировать точность - перевод полученной величины непосредственно в величину углового перемещения.

График соответствующий выражению: С`1 - C`2:

Рис. 20. График информативного сигнала

Для того, чтобы получать однозначную величину углового перемещения, необходимо вывести формульную зависимость мгновенного значения угла от экспериментально собранных данных напряжений с каналов преобразованных вышеописанным способом.

Метод наименьших квадратов (МНК) - это математический метод аппроксимации точечных значений некоторой функции. МНК можно использовать для нахождения требуемой зависимости. Результатом аппроксимации является полиномиальная функция и в зависимости от требуемой точности значений выбирается наивысшая степень полинома. С ростом степени полинома увеличивается вычислительная нагрузка на систему. Поэтому важно выбрать полиномиальную функцию наименьшей возможной степени, которая при этом будет с минимальной ошибкой описывать данную зависимость.

Проведем анализ:

Рис. 21. Проведение регрессионного анализа методом наименьших квадратов

Как видно на рисунке 21 с ростом степени полинома (d) функция полинома наиболее точно описывает закономерность размещения экспериментальных точек. Полученные полиномиальные функции выглядят следующим образом:

В результате обработки напряжений на разных каналах получается, что данные значения имеют гарантированный диапазон значений от -1 до +1. А как видно из рисунке 21 чем выше полиномиальная степень функции, тем сильнее рост угловых значений на пограничных значениях. Хотя данные функции могут наиболее точно описывать требуемую зависимость, пограничные значения углов (±10 градусов) будут определяться неверно. Поэтому было принято решение использовать полином третьей степени в конечном алгоритме расчета угловых перемещений.

Исходя из вышеизложенных методов обработки информации с каналов можно определить некоторые тезисы:

1. Коэффициент поглощения отражающей поверхностью имеет мультипликативный характер воздействия на показания; влияние внешней засветки характер аддитивный

2. Влияние коэффициента поглощения можно компенсировать делением

3. Влияние солнечного света необходимо компенсировать вычитая показания полученные только "от солнца"; в случае если эта величина много меньше информативного сигнала ей можно пренебречь

4. Для увеличения чувствительности и упрощения обработки данных предлагается получать из двух характеристик для каждого канала одну путем вычитания

Алгоритм работы датчика

Продолжая рассуждения касательно компенсации внешних источников можно сделать вывод, что алгоритм работы датчика должен обеспечивать следующий функционал:

1. Считывать и оцифровывать показания с фотодиода исключительно "от солнца"

2. Считывать и оцифровывать показания с фотодиода при условии включенного светодиода

3. Вычитать эти значения для получения абсолютного, не зависящего от внешних факторов

4. Отправлять полученные значения дальше - на дисплей, либо на ПК

Далее приведена наиболее общая блок-схема которая описывает алгоритм работы программы, с учетом того, что:

Во время его выполнения может прийти внешняя команда от ПК, которую необходимо обработать

1. Количественная мера внешней засветки может отличаться для каждого канала

2. Данный алгоритм не ограничивает выполнения обработки разных каналов параллельно.

На блок схеме префиксом "A_" обозначается информация представленная. После оцифровки этот префикс убирается и считается, что работа происходит с цифровым представлением этой информации.



Разработка структурной схемы датчика

Проведенный ранее анализ определил следующую структурную схему датчика:

1. Светодиодный модуль - данный модуль представляет из себя нагрузку в виде светодиода инфракрасного спектра и отвечает за подачу светового потока на фоточувствительный элемент; управляется при помощи сигнала от контроллера.

2. Фотодиодный модуль - это фоточувствительные элементы инфракрасного спектра, которые формируют ток - первичный сигнал формируемый внешней средой

3. Модуль преобразования первичной информации - данный модуль необходим для преобразования тока фотодиода в качестве входного сигнала в выходное напряжение для удобства дальнейшей обработки

4. Модуль обработки информации (микроконтроллер) - на данный модуль возложено сразу несколько важных функций системы:

1. обработка входного напряжения с помощью АЦП;

2. преобразование значения АЦП в численное значение углового перемещения;

3. управление внешней нагрузкой (светодиодом);

4. отправка и получение данных посредством UART.

5. Конвертер UART-RS485 - это промежуточное звено между микроконтроллером и внешней системой. Он необходим, поскольку микроконтроллер передает и принимает данные по интерфейсу UART, а внешняя система должна посылать команды в датчик и принимать от него данные в формате RS-485.

6. Внешняя система - это абстрактный модуль, в качестве которого может выступать любой потребитель датчика.

Анализ необходимой элементной базы первичного преобразователя

Исходя из вышеописанного алгоритма работы датчика можно предъявить дополнительные требования к разрабатываемому аналоговому модуля. Данный модуль должен решать следующие задачи:

1. Принимать сигнал с фотодиодов

2. Усиливать сигнал с фотодиодов

Выходным сигналом фотодиода является ток. Для преобразования ток-напряжение используется схема показанная на рисунке 21

Рис. 21. Схема преобразования ток-напряжение

Для выполнения плана по энергосбережению датчика необходимо реализовать отключение светодиода при засыпании датчика. Схема транзисторного ключа, управляющая током светодиода представлена на рисунке 22.

Рис. 22. Транзисторный ключ

Таким образом в коллекторе транзистора VT1 располагается светодиод с токоограничивающим резистором, номинал которого рассчитывается как отношение разности номинального поданного напряжения и падения напряжения на нем к току, который должен через него течь.

Такая схема может выступать и в качестве ШИМ-модулятора, если появится необходимость настраивать яркость свечения светодиода. Необходимо просто настроить коэффициент заполнения, выдаваемый портом А, что означает, что некоторое время он будет находиться в состоянии логической "1", остальное время его логическим уровнем будет "0".

Сформулируем требования к аналого-цифровому преобразователю.

Для определения необходимых параметров АЦП следует обратиться к необходимой заявленной точности датчика. Для обеспечения чувствительности к угловому перемещению в 4 минуты в диапазоне ± 10 градусов нужно уметь распознавать минимум (60/4)*20 = 300 отсчетов. Учитывая, что МЗР (младший значащий разряд АЦП) это его погрешность, то можно сделать вывод, что следует выбирать АЦП, где количество доступных отсчетов будет выше на порядок. Таким образом, получается чтобы обеспечить необходимую точность и нивелировать погрешность АЦП он должен быть такой разрядности, которая позволила бы обеспечить на выходе количество кодов равное 3000. Следовательно можно сделать вывод, что необходим АЦП с разрядностью 12, так как 211 < 3000 < 212 - разрядность 11 является еще недостаточной.

Выбор микроконтроллера

Итого к микроконтроллеру можно сформировать следующие требования:

1. Наличие 12ти разрядного АЦП - либо с возможностью выбирать каналы для чтения аналогового сигнала, либо непосредственно 2 АЦП

2. Наличие интерфейса UART

3. Низким энергопотреблением в режиме ожидания - до 2мкА, поскольку необходимо обеспечивать работу в автономном режиме

4. Не менее 64 Кбайт flash - памяти

5. Не менее 32 Кбайт ОЗУ

6. Небольшими размерами - не более 15 мм - для обеспечения компактности устройства

7. Способности работать в широком диапазоне температур

Исходя из вышеизложенных требованием становится разумным смотреть в сторону 32-битных микроконтроллеров, которые обладают достаточным количеством периферии, необходимым количеством памяти, а также хорошей по современным меркам производительностью. Также не стоит забывать, что выбранный микроконтроллер должен быть широко распространен и доступен для покупки. Оказалось, что всем необходимым функционалом обладает К 1986ВЕ 92QI. Это модель российского производителя "Миландр" относится к семейству Cortex M3 имеет все необходимые интерфейсы, несет в себе 128 кБайт flash памяти и 32 кБайт ОЗУ. Микроконтроллер имеет режим пониженного энергопотребления в которых он не потребляет более 2мкА, что позволит обеспечить хорошую автономность разрабатываемому устройству. Также в архитектуре заложен функционал аппаратного деления, что также пригодится при разработке. Ближайший аналог данного микроконтроллера это STM32F103 из семейства STM32, имеет схожие характеристики, однако в пользу отечественной модели говорят более высокая частота меньшая стоимость цена и доступность.

Принципиальная электрическая схема оптического датчика угловых перемещений



При проведении измерений ПО микроконтроллера устанавливает порт PA1 в уровень логической единицы. При этом открывается ключ VT1 и через светодиод VD1 начинает протекать ток. Световой поток светодиода VD1 попадает на фотоприемники VD4 и VD5. Токи фотоприемников преобразуются преобразователями ток-напряжение на базе операционного усилителя DA3. Выходные напряжения преобразователей поступают на входы АЦП (PD6 и PD7 микроконтроллера DD2) через ограничивающие сопротивления R6 и R7 и защиту на стабилитронах VD2 и VD3. Микроконтроллер осуществляет преобразование входных данных в численное значение угла отражающей поверхности. Результат преобразования выводится на графический дисплей MT12864 (DD1). При подключении ПК по запросу от ПК результаты измерения отправляются по протоколу UART в ПК через преобразователь UART-RS485 (DD3).

Разработка системного и пользовательского ПО для ПК

Изначально предполагается, что данное программное обеспечение разрабатывается для персональных компьютеров под управлением операционной системы Microsoft Windows. Поэтому разработка ПО будет проводиться на платформе.NET на языке программирования C#. Данная платформа была выбрана, так как в ней уже предусмотрены все инструменты как для создания пользовательских форм Windows, так и для взаимодействия с серийным портом по интерфейсу UART. Важно предусмотреть возможность доступа к функционалу датчика сторонним программам. Поэтому решено разделить всё ПО на две составляющие:

? Программа коммуникации с датчиком через интерфейс UART с возможностью предоставления контроля и информации другим службам;

? Программа пользовательского интерфейса с индикацией измерений и набором функциональных кнопок, посылающих команды непосредственно датчику;

Данная концепция позволит обеспечить единовременный доступ к показаниям датчика как из собственного пользовательского приложения, так и из сторонних программ.

Анализ возможности использовании технологии СОМ при разработке ПО управления и настройки прибора

Одним из возможных способов разработки распределенного программного обеспечения - это использование COM-интерфейсов. COM(Component Object Model)-интерфейс - это набор абстрактных функций и свойств, через который программы взаимодействует с COM-компонентом. Платформа.NET и среда разработки Visual Studio предоставляют возможность создавать собственные COM-компоненты. В построении COM-компонента можно выделить следующие шаги:

1. Создание C#-класса

public class SimpleClass

{

public int Add(int v1, int v2)

{

return v1 + v2;

}

}

2. Создание интерфейса для данного C#-класса

public interface ISimpleClass

{

public int Add(int v1, int v2);

}

3. Наследование классом от данного интерфейса

public class SimpleClass: ISimpleClass

{

public int Add(int v1, int v2)

{

return v1 + v2;

}

}

4. Пометить данные класс и интерфейс атрибутами GUID(<номер GUID'а>) и ComVisible(true), а для класса еще добавить атрибут ClassInterface(ClassInterfaceType.None)

[Guid("9D0981D2-2543-4CC2-9C61-465C181BAAC5")]

[ComVisible(true)]

public interface ISimpleClass

{

public int Add(int v1, int v2);

}

[Guid("0323FE59-6D73-4660-B6B0-1A828032380B")]

[ComVisible(true)]

[ClassInterface(ClassInterfaceType.None)]

public class SimpleClass: ISimpleClass

{

public int Add(int v1, int v2)

{

return v1 + v2;

}

}

В Visual Studio существует встроенный инструмент генерации GUID'ов.

5. Собрать.dll сборку и зарегистрировать COM-компонент в системе с помощью утилиты RegAsm.exe

Теперь данный COM-компонент зарегистрирован в системе и может быть импортирован в другие проекты ОС Windows.

Очевидным минусом становится труднопереносимость компонента на другие вычислительные машины, потому что помимо переноса файла библиотеки необходимо каждый раз отдельно для каждого ПК проводить процедуру регистрации компонента в системе.

Логично предположить, что оборачивание библиотеки в COM-компонент ограничивает последующее ее использование только в среде операционной системы Microsoft Windows. Однако современные реализации.NET Standard и.NET Core позволяют разработчику разрабатывать кроссплатформенные решения. Поэтому было принято решение разрабатывать программу коммуникации с датчиком в виде.dll API-библиотеки под платформой.NET Standard, чтобы охватить наибольшее число потенциальных пользователей.

Разработка программной библиотеки для использования функционала датчика

...