Принцип действия оптоэлектронных приборов. Свойства электроизмерительных приборов и области их применения

Оптоэлектронные приборы (ОЭП) это средства измерения с принципиально новым видом отсчетного устройства, основанного на использовании различных оптоэлектронных эффектов и обеспечивающего аналоговое восприятие результата измерения человеком.

Принцип действия ОЭП состоит в непосредственном или опосредованном воздействии измеряемой величины на размещенное вдоль шкалы или совмещенное с ней специальное индикаторное вещество, в котором возникает определенный физико-химический эффект, позволяющий по изменению электрооптических, магнитооптических, электротеплооптических, электрохимикооптических или электромеханикоптических характеристик судить о значении измеряемой величины. Снятие показаний производят по визуальному проявлению эффекта. Чаще всего используют изменение оптических свойств вещества (цвет, яркость, прозрачность). О значении измеряемой величины судят и по изменению геометрического положения оптического параметра, например, но перемещению светового столба. Современные ОЭП строятся в основном на электрооптических эффектах со светоизлучением электра и катодолюминесценция, а также газовый разряд. Перспективны эффекты без светоизлучения, в которых под действием электрического поля изменяется оптическое состояние вещества (коэффициенты поглощения, отражения, рассеяния, преломления или спектральный состав света). Наиболее интересные в этой группе эффектов это эффекты в жидких кристаллах. В настоящее время налажен промышленный выпуск материалов и элементов на этих эффектах (светодиодов, порошковых люминофоров, хемотронных ячеек и т.д.) с электрофизическими параметрами, позволяющими создавать на их основе ОЭП с достаточно высокими метрологическими характеристиками.

На рис. 2.41. показана упрощенная структурная схема, поясняющая принципы работы оптоэлектронного прибора с отсчетным устройством ОУ, состоящим из шкалы Ш, проградуированной в единицах измеряемой величины X, и оптоэлектрического указателя У.

.

Рис. 2.41. Упрощенная структурная схема ОЭП

При подаче измеряемой величины X на вход измерительного преобразователя П с чувствительностью а_Y¢, в последнем формируется электрический сигнал Y = a_Y¢X, обеспечивающий надежное функционирование воздействующего устройства ВЗУ. В качестве П используют нормирующие усилители, преобразователи импеданса, емкости, функциональные преобразователи и т. п. ВЗУ вырабатывают сигнал управления Z того вида, который необходим для возбуждения в индикаторном веществе ИВ визуального оптоэлектронного эффекта. Чаще всего Z обеспечивает создание электрического, магнитного и теплового полей.

В общем случае зависимость Z от Y нелинейная и может быть представлена следующим образом: Z = a_Z¢Y^m, где m – коэффициент, определяемый видом оптоэлектронного эффекта (для большинства электрооптических эффектов m = 1); а_z¢ –чувствительность ВЗУ.

Из рис.2.41. с учетом отмеченных преобразований получаем

, (2.61)

где а_Y = 1/а_Y¢, a_z = a_z¢ – коэффициенты преобразования.

Оптический параметр ИВ является указателем У, по положению которого относительно шкалы Ш определяют показание Х_П, соответствующее значению измеряемой величины X.

В зависимости от способа перемещения и принципа формирования указателя различают оптоэлектронные приборы с аналоговыми и дискретно-аналоговыми отсчетными устройствами. На рис. 2.42. представлены различные типы и формы отсчета у современных ОЭП.

Рис. 2.42. Типы отсчетных устройств ОЭП

Аналоговое ОУ (рис. 2.42,а) имеет указатель в виде непрерывного возбужденного (светящегося, затемненного и т. п.) столбца, длина которого 1 определяет значение измеряемой величины X. Для дискретно-аналогового ОУ характерно наличие указателя, состоящего из набора отдельных индикаторных элементов К (индексов отсчета ИО) в виде штрихов, полосок, точек, расположенных вдоль всей прямолинейной шкалы прибора, причем о значении измеряемой величины судят по положению относительно шкалы одного возбужденного ИО (рис. 2.42,б) или по количеству ИО (рис. 2.42,в), расположенных левее отметки шкалы, соответствующей значению измеряемой величины. Аналоговое восприятие показаний при этом способе отсчета обеспечивается конструкцией оптоэлектронного отсчетного устройства и электрической схемой управления индексами отсчета. Чисто аналоговое шкальное устройство чаще всего представляет собой два сплошных проводящих электрода, между которыми помещают индикаторное вещество. У дискретно-аналогового ОУ один электрод выполняют сплошным, а другой – из множества дискретных проводящих элементов, расположенных вдоль шкалы в соответствии с ее делениями. В ОЭП повышенной точности применяют поразрядный отсчет измеряемой величины. В этом случае ОУ содержит несколько параллельных шкал, расположенных друг под другом, например Ш1 для отсчета десятков, а второй Ш2 – для отсчета единиц (Рис. 2.42, г).

Модификация этого способа отсчета, использующая только одну шкалу, но с двумя различными по форме или цвету отсчетными индексами, приведена на рис. 2.42, д, где верхний индекс У(10) фиксирует десятки, а нижний У(1) служит для отсчета единиц. В некоторых случаях применяют комбинированный поразрядный отсчет, при котором индикация десятков производится в цифровой форме, а единиц в аналоговой или наоборот. Аналоговое оптоэлектронное отсчетное устройство имеет невысокую точность, так как для большинства эффектов наблюдается размывание края отсчетного столба 1, что приводит к неопределенности отсчета. В дискретно-аналоговых отсчетных устройствах этот недостаток устранен путем применения дискретного указателя. В ОЭП с таким видом отсчета необходимо обеспечить однозначную зависимость положения оптического указателя (номера индекса отсчета К или числа включаемых индексов К, см. рис. 2.42,б,в) от значения измеряемой величины. На метрологические и эксплуатационные характеристики ОЭП существенно влияют свойства индикаторного вещества (нелинейность функции преобразования, яркость или контрастность, потребляемая мощность, времена срабатывания и релаксации, устойчивость к воздействию внешних факторов). При выборе ИВ для серийного производства ОЭП следует учитывать также его срок службы и стоимость.

Основными параметрами ИВ с наиболее распространенной электрооптической характеристикой (Рис. 2.43) являются пороговое значение Z_П воздействующего значения Z, при котором возникает оптоэлектрический эффект; диапазон нарастания эффекта δZ, т.е. то приращение Z, которое надо приложить для полного наступления эффекта.

Рис. 2.43. Электрооптическая характеристика индикаторного вещества (ОП – оптический параметр)

При проектировании ОЭП используют понятие относительного диапазона нарастания эффекта δZ/Z. По значению этого параметра принято разделять ИВ на вещества, обладающие пороговой характеристикой (δZ/Z_П < 0,8) и без нее (δZ/Z_П > 0,8). Большинство электрооптических эффектов со светоизлучением, в которых яркость свечения изменяется в достаточно широких пределах при малых изменениях приложенного напряжения, не имеют резко выраженной пороговой характеристики. Электрооптическим эффектам в жидких кристаллах при определенных условиях присущи высокие пороговые свойства.

Рассмотрим условие, при котором приведенная на рис. 2.41 структура работает как измерительный прибор, т.е. обеспечивает однозначную зависимость между номером отсчетного индекса К и измеряемой величиной X. Для прибора с равномерной шкалой должно выполняться соотношение Х = сК, где с – постоянная прибора. Исходим из того, что каждое значение измеряемой величины X должно быть зафиксировано на отсчетном устройстве за счет возбуждения (включения) с оответствующего ему индекса отсчета К, т. е. отсчетное значение измеряемой величины на К-м индексе Х_К должно равняться Х (Х_К = X). Для возбуждения электрооптического эффекта именно на этом индексе, необходимо, чтобы значение выходной величины Z_k воздействующего устройства у этого индекса равнялось пороговому значению эффекта Z_П на данном индексе. С учетом (2.61) искомое условие примет вид:

, (2.62)

для равномерной шкалы

. (2.63)

Условие (2.62) реализуется функциональным позиционным преобразованием измеряемой величины X в выходной параметр используемого эффекта, например, за счет применения функциональных специальных преобразователей или другим путем Построение ОЭП более высокого класса точности с расширенными функциональными возможностями основано на цифровых методах преобразования измеряемой величины при сохранении оптоэлектронного шкального устройства.

Электроизмерительные приборы с оптоэлектронными отсчетными устройствами (ОЭП) являются перспективными средствами ИИТ в сферах эксплуатации и производства, так как измерение и индикация показаний в них осуществляется новыми методами на базе оптоэлектронных шкал без использования традиционных электромеханических измерительных механизмов.

Развитие ОЭП идет по трем основным направлениям. Первое направление включает в себя разработку показывающих ОЭП невысокого класса точности (1.5, 2.5, 4.0), отличающихся от электромеханических показывающих приборов улучшенным комплексом технико-экономических показателей. Они обладают высокими прочностью и устойчивостью к механическим воздействиям (до 250 м/с² в диапазоне частот до 2500 Гц), повышенным быстродействием (0,5 – 0,8 с). У этих приборов отсутствуют дополнительные погрешности от влияния наклона, ферромагнитных масс, трения, уменьшены погрешности от влияния температуры, электрических и магнитных нолей. Простота конструкции, малое количество механических деталей (в три, четыре раза меньше, чем у электромеханических приборов) позволили повысить технологичность изготовления ОЭП и практически автоматизировать процесс их производства.

Второе направление связано с проектированием и выпуском ОЭП — аналогов электромеханических приборов типа АСК. Эти приборы кроме функции измерения обеспечивают регулирование и сигнализацию о выходе измеряемой величины из зоны регулирования. Они являются приборами более высокого класса точности (0,5; 1,0; 1,5), имеют аналоговую и в ряде случаев цифровую индикации, кодовый выход, обеспечивают позиционное регулирование с погрешностью по срабатыванию 0,5 1.5%.

Третье направление ставит целью создание многофункциональных оптоэлектронных приборов па основе микропроцессорных средств, для многоканальных измерений. В сферу их работы также входят обработка результатов измерений, регулирование по специальному закону и т. и. задачи. Точность этих ОЭП по индикатору 0,5 1,5%, по кодовому выходу 0,05 – 0,2%.