Transoptor odbiciowy: Wpływ ruchu powierzchni na odpowiedź transoptora

Autor: Dondu

Artykuł jest częścią cyklu: Transoptory

Do tej pory rozpatrywaliśmy przypadki, gdy czujnik był naprzeciwko powierzchni, która nie miała ograniczeń i nie była w ruch.

Wykorzystując transoptory odbiciowe z reguły spotkamy się jednak z sytuacją, w której powierzchnia przesuwa się przed transoptorem. Na przykład jest to enkoder obrotowy z tarczą, która obraca się na osi, a transoptor obserwuje naniesione na tarczy białe i czarne pola np. w obrotomierzu: Obrotomierz na AVR ATmega8..

Dlatego też w datasheet można znaleźć wykresy pokazujące jak stromych zboczy należy się spodziewać przy danym przesunięciu ograniczonej powierzchni względem transoptora oraz odległości czujnika od powierzchni.

I znowu do omówienia wykorzystamy  transoptory:

• CNY70,
• KTIR0711S.

W przypadku CNY70, w datasheet znajdziesz wykres:

Transoptor odbiciowy CNY70
Wykres zależności prądu kolektora od
przesunięcia powierzchni i odległości czujnika.

Wykres ten wymaga bardziej szczegółowego wyjaśnienia stąd poświęcimy mu cały artykuł.

Warunki testowe określone zostały następująco:

• napięcie kolektor-emiter VCE=5V,
• prąd diody IF=20mA,
• nie podano jaki kolor ma powierzchnia, należy więc przyjąć, że taki sam jak w poprzednich przypadkach, czyli biały.

Zacznijmy od tego, że na wykresie znajdujemy dodatkowe rysunki pokazujące ustawienie czujnika wobec ograniczonej powierzchni, dla dwóch kątów ustawienia czujnika:

Transoptor odbiciowy CNY70
Rysunek przedstawiający sposób ustawienia
transoptora i powierzchni do testów.

Rozdzieliłem je czerwoną linią, a na razie interesować nas będzie tylko ten górny.

Co on przedstawia?

Przedstawia on sposób przesuwania się obserwowanej powierzchni przed czujnikiem. Aby łatwiej było zrozumieć przygotowałem prostą animację:

Animacja pokazująca przemieszczanie
się ograniczonej powierzchni.

Widzisz na niej jak powierzchnia odbijająca światło (biała) przesuwa się przed czujnikiem, dla trzech stanów przesunięcia - 0mm, 5mm oraz 10mm. Zauważ, że powierzchnia z jednej strony (na dole) jest nieskończona, a z drugiej (na górze) jest skończona.

Oznacza to, że w dokumentacji przyjęto jako test nie białą i czarną powierzchnię, lecz białą i ... brak jakiejkolwiek powierzchni. Jeżeli brak powierzchni przed czujnikiem, to światło nie ma się od czego odbić, więc działa jak kolor czarny, a nawet lepiej :-)

Uzupełniłem wykres o dodatkowe rysunki w dolnej części przedstawiające powyższe stany odnosząc je do odpowiednich wartości przesunięcia na wykresie:

Transoptor odbiciowy CNY70.
Wykres zależności prądu kolektora od przesunięcia powierzchni
i odległości czujnika z naniesionymi pozycjami powierzchni.

Sądzę, że teraz będzie znacznie prościej zrozumieć rysunek i wykres z datasheet.


Położenie 0mm

To pierwszy skrajny przypadek, w którym krawędź powierzchni białej znajduje się co najmniej 1,5mm od krawędzi obudowy transoptora (w każdym kierunku):

Transoptor odbiciowy CNY70
Przemieszczanie  się ograniczonej powierzchni
 - położenie 0mm.

W tym położeniu największa ilość światła odbija się od powierzchni (białej) przez co uzyskujemy relatywnie największy prąd kolektora zbliżony do 1 (100%), co odczytujemy z wykresów.


Położenie 5mm

To moment, w którym powierzchnia przesunęła się względem transoptora w taki sposób, że krawędź pola białego znalazła się dokładnie w połowie obudowy transoptora:

Transoptor odbiciowy CNY70.
Przemieszczanie  się ograniczonej powierzchni
- położenie 5mm.

W tym wypadku relatywny prąd kolektora wynosić będzie 0,5 (50%), co odczytujemy z wykresów.


Położenie 10mm

To drugi skrajny przypadek, w którym powierzchnia znajduje się dalej niż 1,5mm od dowolnej krawędzi obudowy transoptora:

Transoptor odbiciowy CNY70.
Przemieszczanie  się ograniczonej powierzchni
- położenie 10mm.

W tym przypadku czujnik teoretycznie nie widzi już powierzchni, przez co relatywny prąd kolektora jest bliski 0 (0%), co także odczytujemy z wykresów.

Jednakże zauważ, że w zależności jak duża jest odległość od powierzchni (d), wykresy dla tego przypadku nie dochodzą do zera im większa jest odległość d. Jest to spowodowane oczywiście kątem emisji światła i widzenia fototranzystora.


Przykład wykorzystania wykresu

Załóżmy, że masz taki przypadek:

1. napięcie kolektor-emiter VCE=5V,
2. prąd diody IF=20mA,
3. prąd kolektora ustawiony na IC=0,9mA,
4. odległość fototranzystora od powierzchni d=4mm,
5. przesunięcie krawędzi s=3mm.

Wyznaczamy więc relatywny prąd kolektora:

Transoptor odbiciowy CNY70.
Przykład wykorzystania wykresu.

i otrzymujemy wartość 0,85.

Stąd już prosta droga do określenia faktycznego prądu jaki powinniśmy otrzymać na wyjściu transoptora przy założonych warunkach pracy:

Kąt nachylenia zbocza sygnału

Na powyższym wykresie warto zwrócić uwagę, na zależność kąta nachylenia zmian wykresów prądu względem odległości transoptora od powierzchni (d):

Transoptor odbiciowy CNY70.
Kąty nachylenia zmian wykresów prądu kolektora
względem odległości transoptora od powierzchni.

Omawialiśmy już to na przykładzie innego z wykresów, ale ten powyżej ładnie pokazuje, że:

Im mniejsza jest odległość transoptora od obserwowanej powierzchni, tym bardziej strome są zmiany zbocza sygnału wyjściowego.

Oddalanie i przybliżanie się powierzchni

Możemy także spotkać się z sytuacją, gdy powierzchnia zamiast przesuwać się przed transoptorem, oddala się od niego i przybliża. W takiej sytuacji powinieneś wrócić do punktu: Zależność prądu kolektora od odległości powierzchni



Sposób ustawienia czujnika 

Gdy przyglądniesz się czujnikowi CNY70, to zauważysz, że dioda i fototranzystor nie są umieszczone centralnie, bo to nie jest możliwe :-)

Dlatego też możemy się spodziewać, że w przypadku, gdy krawędź powierzchni (np. zmiana czarnego w biały) będzie na wprost transoptora odbiciowego zachowa się on nieco inaczej w zależności jak jest ustawiony:

Transoptor odbiciowy z tarczą enkodera.
Ustawienie transoptora dwoma bokami pod kątem prostym.

Dlatego też wrócimy teraz do rysunku pomocniczego na wykresie:

Transoptor odbiciowy CNY70.
Rysunek przedstawiający sposób ustawienia czujnika
i powierzchni do testów.

Ten rysunek pokazuje właśnie przypadek, w którym mamy czujnik obrócony o 90° względem swojej osi podłużnej - patrz oznaczenia literami E oraz D. Litery oznaczają oczywiście Emiter i Detektor.

Skoro na wykresie są umieszczone oba przypadki, a wykres jest jeden (nie rozróżnia przypadków), to należy uznać, że niezależnie od sposobu ustawienia transoptora CNY70, będzie on tak samo reagował.

Nie oznacza to, że tak samo będzie w przypadku wszystkich transoptorów. Drugi nasz przedmiot analizy, transoptor KTIR0711S, rozróżnia oba przypadki ustawienia czujnika oraz odpowiadające im numerami (oraz w pionie) wykresy relatywnego prądu kolektora :

Transoptor odbiciowy KTIR0711S.
Wykresy zależności prądu kolektora
od przesunięcia powierzchni i odległości czujnika.

Wprawdzie różnice pomiędzy wykresami dla odpowiednich kątów ustawień transoptora są niewielkie, ale warto na to zwracać uwagę, bo inne transoptory mogą mieć inaczej.