Фотоэлектрические следящие системы

Федеральное государственное  автономное  
      образовательное учреждение 
высшего профессионального образования

«СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ»

Институт педагогики, психологии и социологии

 

Кафедра: «Машиностроение»

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

 

 Фотоэлектрические следящие системы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

       Преподаватель     __________               А.Н. Шмарловский

подпись, дата

 

 

Студентка ИП 07-04        __________            А.А. Перцева

подпись, дата

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Красноярск 2011

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Существенное значение фотоэлектрические  следящие системы приобрели в связи с освоением и изучением космического пространства. Непрерывное совершенствование летательных аппаратов и средств наблюдения за ними выдвигает все более жесткие требования к качеству фотоэлектрическихсистем слежения, ориентации и навигации.

Полеты обитаемых и  беспилотных космических кораблей и станций по все более сложным и удаленным траекториям требуют самых совершенных систем управления. Неотъемлемой частью таких систем служат фотоэлектрические системы астроориентации, которые однозначно ориентируют космический аппарат в пространстве и позволяют тем самым осуществлять сверхдальнюю направленную радиосвязь и непрерывное освещение солнечных батарей электропитания. Ориентация космических аппаратов, как правило, произ-водится по трем осям, для чего используются два светящихся небесных тела, за одним из которых ведется двухкоординатное слежение, а за вторым однокоординатное. исполнительными элементами систем астроориентации космических аппаратов чаще всего служат газоструйные реактивные двигатели.

Возросший интерес к изучению небесных тел и наличие технических возможностей привели к созданию зеркальных телескоповгигантов с диаметром объективов до нескольких метров. Стоимость таких приборов чрезвычайно высока. Естественно, что при таких затратах необходимо свести до минимума непроизводительные потери времени и число некачественных наблюдений. Эту задачу решила комплексная автоматизация подготовительных операций и самого процесса наблюдений. Немалую роль в автоматизации крупных телескопов сыграли фотозлектрические следящие системы. Они выполняют точное ведение (гидирование) трубы телескопа вслед за светящимся объектом в процессе наблюдений. Такие системы работают с погрешностями, не превышающими десятых долей угловой секунды, и могут следить за небесными телами весьма малой яркости. Применение автоматических фотоэлектрических гидов освободило астрономов-наблюдателей от тяжелого физического напряжения, связанного с визуальным (ручным) гидированием.

Большой вклад в разработку систем автоматического гидирования телескопов внес Советский Союз, где в последние годы построен целый ряд крупных автоматизированных телескопов и в их числе крупнейший в Европе телескоп-рефлектор Крымской Астрофизической обсерватории с диаметром главного зеркала 2,6 м. Аналогичные работы проводятся в США и ГДР. Потлощающие свойства приземных слоев атмосферы в значительной мере затрудняют исследования солнечной деятельности, а в некоторых областях спектра делают их вообще невозможными. С целью изучения тонких структур солнечного диска и проникновения в области спектра, недоступные наблюдениям с Земли, стали создавать подъемные баллонные астростанции с крупными солнечными телескопами. Впервые запуск такой станции «Стратостат 1» с телескопом 350 мм осуществлен Шварцшильдом в США.

Широкое распространение  фотоэлектрические следящие системы находят также в приборах по обработке экспериментальных данных. Примером такого применения могут служить автоматические углоизмерительные машины для обработки фотографий участков небесной сферы. В этих машинах посредством фотоэлектрических следящих систем автоматически осуществляется прецизионное измерение расстояний между фотографическими изображениями звезд. Скорость обработки фотографий и точность значительно превосходят таковые при визуальных измерениях.

Фотоэлектрические следящие системы часто входят составной частью в комплексные системы автоматического управления. Например, совершенствование цифровых следящих приводов требует разработки более точных преобразователей вал—цифра. Одним из путей решения этой задачи является создание двухотсчетных преобразователей с безлюфтовым редуктором между кодовыми дисками. Эту проблему в ряде случаев позволяют решить фотоэлектрические фазовые следящие системы, используемые в структуре схем электрической редукции.

Не так давно фотоэлектрическое слежение стали применять даже при мелиоративных работах. Осуществляя слежение за световым репером, канавокопатель с большой точностью прокладывает дренажный канал требуемой формы, направления и заглубления. Сферы применения фотоэлектрических`следящих систем можно рассматривать и далее, но уже из сказанного следует, что эти системы прочно вошли в различные области техники и их дальнейшее совершенствование внесет существенный вклад в дело создания высококачественных систем автоматического управления объектами различных назначений. Уже в самое ближайшее время следует ожидать широкого использования фотоэлектрических следящих систем и в других областях техники, в частности, в аналоговых вычислительных машинах для автоматического ввода

 

1. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ

 

Фотоэлектрические датчики  используются во многих отраслях промышленности для обеспечения точного обнаружения  объектов без физического контакта.

В большинстве основных форм фотоэлектрический датчик может  рассматриваться как устройство типа концевого переключателя, в  котором функцию механического  привода или плеча рычага выполняет  луч или свет. Фотоэлектрические  датчики работают, обнаруживая изменения  в интенсивности света, который  либо отражается, либо задерживается  обнаруживаемым объектом (мишенью). Изменения  в интенсивности света могут  быть результатом присутствия или  отсутствия мишени или результатом изменения размера, формы, коэффициента отражения или цвета мишени.

Фотоэлектрический датчик может  быть использован для обнаружения  мишеней на расстояниях от меньших, чем 5 мм (0,2 in) до больших 250 м (820 ft). Успешное обнаружение с помощью фотоэлектрического датчика требует, чтобы обнаруживаемый объект (мишень) вызывал значительное изменение уровня интенсивности  света, принимаемого датчиком, и, чтобы  пользователь имел ясное понимание требований обнаружения.

Существует огромное количество фотоэлектрических датчиков, которые  можно выбрать. Каждый предлагает уникальную комбинацию производительности обнаружения, выходных характеристик и монтажных  средств. Многие датчики предлагают также уникальную встроенную логику и сетевые возможности.

Более распространенными, чем  бесконтактные выключатели, являются датчики, реагирующие на световое излучение, а именно фотоэлектрические датчики. Следует выделить два основных направления  применения этих датчиков. Во-первых, можно  просто использовать фотоэлемент для  контроля за светом, естественно излучаемым объектом в процессе работы. Хорошим  примером является использование фотоэлементов  для включения освещения при  наступлении сумерек и выключения его с рассветом. Рост стоимости  потребляемой энергии привлек всеобщее внимание к этому типу автоматических систем. Во-вторых, можно использовать луч света, создаваемый искусственным  источником. Основной задачей здесь  является обнаружение объекта на пути прохождения луча. Источник света  может быть установлен отдельно или  встроен в датчик. Во втором случае возникает необходимость в естественном или искусственном отражателе для возврата луча к датчику.

Отражающие поверхности, используемые в фотоэлектрических  системах, бывают трех типов: рассеивающие, зеркальные и обратного отражения. Самым дешевым и распространенным видом отражающих поверхностей являются рассеивающие поверхности.

Даже обычный объект белого цвета имеет свойства рассеивающей поверхности, поэтому он отражает свет, а не изображение. Рассеивающие отражатели рассеивают так много света, что только малая его доля возвращается к фотоэлектрическому датчику. В связи с этим экономия, полученная за счет применения рассеивающих поверхностей, может обернуться убытком, если речь идет о применении более чувствительного и, возможно, более совершенного датчика. Фотоэлектрические системы, использующие рассеивающие отражающие поверхности, к тому же, более подвержены влиянию помех.

Фотоэлектрические датчики  излучают и принимают отраженный сигнал инфракрасного излучения с длиной волны порядка 1 мкм. Они используются в составе систем защиты внутреннего и внешнего периметра для бесконтактного блокирования пролетов, дверей, лифтов, проемов, коридоров и т.п. Их отличает высокая устойчивость и надежность работы.

Фотоэлектрические датчики  состоят из двух частей – передатчика  и приемника.

Они разносятся вдоль линии  охраны. Между ними проходит система модулированных инфракрасных лучей рис. 1

Рисунок 1. Фотоэлектрический  датчик.

 

Датчики этого типа срабатывают  при попытке пересечь систему лучей, отличаются высокой устойчивостью и надежностью работы.

 

2. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭНЕРГИИ

 

Для питания магистральных  систем электроснабжения и различного оборудования на КЛА широко используются ФЭП; они предназначены также  для подзарядки бортовых химических АБ. Кроме того, ФЭП находят применение на наземных стационарных и передвижных  объектах, например, в АЭУ электромобилей. С помощью ФЭП, размещенных на верхней поверхности крыльев, осуществлено питание приводного электродвигателя винта одноместного экспериментального самолета (США) , совершившего перелет  через пролив Ла-Манш.

 В настоящее время  предпочтительная область применения  ФЭП - искусственные спутники  Земли, орбитальные космические  станции, межпланетные зонды и  другие КЛА. Достоинства ФЭП:  большой срок службы; достаточная  аппаратурная надежность; отсутствие  расхода активного вещества или  топлива. Недостатки ФЭП: необходимость  устройств для ориентации на  Солнце; сложность механизмов, разворачивающих  панели ФЭП после выхода КЛА  на орбиту; неработоспособность  в отсутствие освещения; относительно  большие площади облучаемых поверхностей. Для современных ФЭП характерны  удельная масса 20 - 60 кг/кВт (без  учета механизмов разворота и  автоматов слежения) и удельная  мощность КПД преобразования  солнечной энергии в электроэнергию  для обычных кремниевых ФЭ  равен В каскадных ФЭП с  прозрачными монокристаллами элементов  при двухслойном и при трехслойном  исполнении. Для перспективных АЭУ,  сочетающих солнечные концентраторы (параболические зеркала) и ФЭП на основе гетероструктуры двух различных полупроводников арсенидов галлия и алюминия, также можно ожидать.

 Работа ФЭ основана  на внутреннем фотоэлектрическом  эффекте в полупроводниках. Внешние  радиационные (световые, тепловые) воздействия  обуславливают в слоях 2 и 3 появление неосновных носителей  зарядов, знаки которых противоположны  знакам основных носителей р-  и п-областях. Под влиянием электростатического  притяжения разноименные свободные  основные носители диффундируют  через границу соприкосновения  областей и образуют вблизи  нее р-п гетеропереход с напряженностью  электрического поля ЕК, контактной  разностью потенциалов UK = SEK и  потенциальным энергетическим барьером WK=eUK для основных носителей, имеющих  заряд е. Напряженность поля EK препятствует их диффузии за  пределы пограничного слоя шириной  S. Напряжение зависит от температуры  Т, концентраций дырок или электронов  в p- и n-областях заряда электрона  е и постоянной Больцмана k. для неосновных носителей EK - движущее  поле. Оно обусловливает перемещение  дрейфующих электронов из области  р в область п, а дырок  - из области п в область  р. Область п приобретает отрицательный  заряд, а область р- положительный,  что эквивалентно приложению  к р-п переходу внешнего электрического  поля с напряженностью EВШ, встречного  с EK. Поле с напряженностью EВШ - запирающее для неосновных и  движущее для основных носителей.  Динамическое равновесие потока  носителей через р-п переход  переводит к установлению на  электродах 1 и 4 разности потенциалов  U0 - ЭДС холостого хода ФЭ. Эти  явления могут происходить даже  при отсутствии освещения р-п  перехода. Пусть ФЭ облучается  потоком световых квантов (фотонов) , которые сталкиваются со связанными (валентными) электронами кристалла  с энергетическими уровнями W. Если  энергия фотона Wф=hv (v -частота волны  света, h - постоянная Планка) больше W, электрон покидает уровень и  порождает здесь дырку; р-п  переход разделяет пары электрон - дырка, и ЭДС U0 увеличивается.  Если подключить сопротивление  нагрузки RН, по цепи пойдет  ток I, направление которого встречно  движению электронов. Перемещение  дырок ограничено пределами полупроводников,  во внешней цепи их нет. Ток  I возрастает с повышением интенсивности  светового потока Ф, но не  превосходит предельного тока In ФЭ, который получается при переводе  всех валентных электронов в  свободное состояние: дальнейший  рост числа неосновных носителей  невозможен. В режиме К3 (RН=0, UН=IRН=0) напряженность поля Евш =0, р-п  переход (напряженность поля ЕК) наиболее интенсивно разделяет  пары неосновных носителей и  получается наибольший ток фотоэлемента IФ для заданного Ф. Но в  режиме К3, как и при холостом  ходе (I=0) , полезная мощность P=UНI=0, а  для 0<UН<U0 и 0<I<IФ будет  Р>0.