измерение расстояния по изменению освещённости

Есть необходимость измерять перемещения до 50 миллиметров с точностью 1/10 миллиметра, с частотой до 10 кГц.
Для этих целей можно поставить 2 фотодиода на растоянии 2d друг от друга, и отслеживать перемещения светящегося источника.
Величины которые замеряют фотодиоды будут следующие: m1=k1/(d+x)^2, m2=k2/(d-x)^2, x-перемещение, k1,k2 - коэффициенты пропорциональности(их можно найти по методу наименьших квадратов, если точка будет двигаться).
Из этих формул получаем формулу для x: x=(k1/m1-k2/m2)/4d.
Но в этой формуле не учитывается влияние фоновой освещённости. Думаю что её можно исключить модулированием света источника. В общем вопросы следующие:
1) с какой частотой выполнять модуляцию, чтобы в результате получить скорость измерения 10 кГц?
2) как извлечь полезный счигнал?
3) какая инерционность у обычных светодиодов?
4) можно ли включить фотодиод так, чтобы на выходе получить напряжение которое можно сразу подать на АЦП?
5) какая должна быть яркость источника и чувствительность приёмника?

 

не думаю что вам здесь поможет модуляция. я так понимаю, у вас одна степень свободы, т.е. объект может перемещаться только вдоль прямой. свет у вас распространяется в воздехе. интенсивность света падает экспоненциально. можно записать что-то вроде этого:

I1 = I0 exp{-lambda l1} + If
I2 = I0 exp{-lambda l2} + If

I1, I2 - интенсивности излучения на первом и втором фотоэлементах. If - интенсивность фонового излучения. lambda - коэффициент затухения света в воздухе. l1, l2 - расстояния между лампой и каждым из фотоэлементов. можно, конечно, аппроксимировать полиномом, никакой разницы нет. но смысл в том, что ваша система имеет 1 степень свободы, а вы делаете 2 измерения, т.е. обладаете избыточностью данных. эта избыточность поможет вам определить величину фонового излучения.
для вашей системы лучше выбрать не световой диапазон, а тот, в котором спектральная плотность фонового излучения минимальна. критерий для интенсивности света источника один: она должна быть больше интенсивности фонового излучения. лучше, наверное, даже выбрать лазер, а на приёмники поставить светофильтры.

время наростания/спада сигнала у свето и фотодиодов порядка 100нс. бывает меньше, бывает больше.
для измерения сигнала нужно подключить фотодиод к АЦП через операционный усилитель. кэффициент усиления нужно подбирать экспериментально.

вам стоит позаботиться об АЦП. нужен довольно быстродействующий.

 

cupuyc
Коэффициент затухания тут нафиг не нужен, расстояния здесь порядка десяти сантиметров, а источник предполагается точечным. Объект не обязательно вдоль прямой может перемещаться, но формула даёт проекцию перемещения на ось датчиков(интересует именно эта составляющая перемещения). Влияние фонового излучения нужно устранять до АЦП, иначе его разрядноси может не хватить. Для включения нашёл такую схему: Если я правильно её понял, то она должна выдавать напряжение пропорциональное освещённости. Далее можно поставить ОУ и АЦП. А вторым входом ОУ управлять через ЦАП. Это будет первая стадия компенсации. А вторая будет заключаться в включении/отключении источника света и инвертированием знака каждого второго измерения.

 

Тут нашёл еще одну схему включения(рисунок 5.14): Только мне вот непонятно куда положительный вход ОУ подключается?!

 

Black_mirror, я не понимаю как модуляция поможет устранить постоянную составляю излучения. просто нужно, чтобы излучение от лампочки было значительно больше фонового. если использовать монохроматическое излучение, то такое возможно при дневном свете.

первая схемка какая-то странная. обычный фильтр. зачем он нужен и куда подключается датчик - я не знаю. вторая - это скорее структурная схема, нежели принципиальная. вам нужен обычный усилитель постоянного тока. там ОУ, пара резисторов и конденсатор.

 

Black_mirror, вы немного ошиблись с форумом. здесь толковых решений вашей задачи не дождётесь - мало физиков и электронщиков. могу посоветовать e-science.ru или electronix.ru.

 

Black_mirror

к квази нулю.

 

Ну то-есть не к квази нулю...

Вобщем, так как у ОП коэффициент усиления очень высокий (миллионы раз), следовательно между положительным и отрицательным выходом должна быть разница в микровольты. Тоесть если ты рассчитываешь, что выходное напряжение у тебя изменяется от 7В до 1 В, при Ку ОУ == 10^6, то разница между + и - должна быть примерно от 0 до 7мкв.

Эту разницу обеспечивает ООС. Резистор обеспечивающий ООС вместе со светодиодом составляют делитель напряжения.
Напряжение на выходе ОС (результат усиленния) всегда противоположно по знаку возмущению, и чем больше возмущение на входе (-), тем меньше напряжение на выходе (инвертирующий усилитель) и тем меньше напряжение на входе (-). Таким образом приправильно рассчитаном Rос, на отрицатеотрицательном входе напряжение меняется на микровольты и вы целом равно напряжению на положительном входе.

Поэтому если (+) прицепить за свой делитель напряжения, и считать за 0, то на отрицательном автоматом выставится точно такое же напряжение (отличающееся на мкв), поэтому вход минус считают привешанным на квази нуль.

Что и послужило причиной моего предыдущего поста.

 

Напряжение на выходе ОС = Напряжение на выходе ОУ

 

cupuyc

элементарно - когда источник выключем мерям фон (запомнить его можно хоть конденсатором) и вычитаем его из суммарного сигнала фон+светодиод, когда источник включен.

Black_mirror
Имхо тебя ждут большие глюки с температурным дрейфом параметров свето и фотодидов - добиться стабильной точности будет очень непросто, если вообще возможно.
Смотри лучше в сторону оптических счётчиков импульсов - дисковых (как в старых мышах) или ленточных - открой любой струйный принтер и увидишь в нём ленту с рисками вдоль которой каретка с оптическим датчиком (цифровым) ходит. Но если привод от двигателей, то лучше на них и диск ставить - это и в принтерах и в плоттерах используется и точность отличная получается.

 

это не модуляция. это измерение фона. под модуляцией понимается другое.

у обоих фотоэлементов параметры будут плавать почти одинаково.

 

Black_mirror
1) с какой частотой выполнять модуляцию, чтобы в результате получить скорость измерения 10 кГц?
Если под модуляцией понимать ключевой режим - включил/выключил (это уточнение для cupuyc) то те же самые 10кГц.
2) как извлечь полезный счигнал?
Как отделить полезный сигнал от фона см. выше, но вот сотношение расстояние/освещённость будет в общем случае (для криволинейного перемещения) сложной функцией диаграмм направленности источника/приёмника и калибровать функцию расстояние/освещённость однозначно придётся только экспериментально, все изложенные выше теоретические формулы не подойдут даже в качестве первого приближения.
3) какая инерционность у обычных светодиодов?
Большинство свето/фотодиодов нормально будут работать на 10-100кГц, только фототранзисторы не используй -они тормоза жуткие.
4) можно ли включить фотодиод так, чтобы на выходе получить напряжение которое можно сразу подать на АЦП?
У Атмела штатный АЦП МК имеет встроенный дифференциальный калиброванный усилитель с коэффициентами х10, х20, х200. Т.е. АЦП может измерять сразу усиленную разность между полезными сигналами, и гарантированная частота выбоки АЦП до 15кГц (реально разгоняются намного больше).
5) какая должна быть яркость источника и чувствительность приёмника?
Точных цифр не скажу, поскольку игрался только с ключевым режимом (т.е. добивался от схемы стабильного срабатывания есть/нет), но замечал что полезный (аналоговый) сигнал соизмерим с тепловым дрейфом параметров...

cupuyc

Даже если ты прав (в чём я совсем не уверен), то во первых не забывай про саморазогрев работающих элементов, который у них будет разным (светодиод саморазогревается намного сильнее чем фотодиод).
А главное что в этой задаче между оптическими элементами стоит сложная функция расстояние/освещённость, так что простой взаимокомпенсации тут стопудово не будет.

Black_mirror
Если нужно мерять перемещение по сложной траектории, подумай про встраивание графического планшета. Разбираешься в протоколе, переносишь внутренности карандаша в свой перемещающийся девайс и наслаждаешься стабильной точностью
ЗЫ: Если МК простой и дешёвый (без штатного USB), то лучше поискать старую версию планшета с COM или PS/2 интерфейсом (есно не новый, поскольку их давно уже не делают).

 

Y_Mur
1) У меня не ключевой режим, мне нужно измерять перемещения порядка 50 миллиметров с точностью до 1/10 милииметра с частотой не ниже 1 кГц(это уже должен быть сигнал очищеный от шумов АЦП и прочих).
2) С диаграммой направленности сложности вполне решаемы. Можно поставить источник с матовым рассеивателем и фотодиод с большим углом.
4) А как выбирается коэффициент усиления? Входом REF?
5) По поводу яркости соображения у меня такие:
Освещённость создаваемая солнцем до 150мВт/см2
Если мы ставим мощный светодиод который даёт световой поток мощностью 100мВт, то на расстоянии 10 см мы получим энергию порядка 100/(2*Pi*10^2), то есть что-то около 0.1 мВт/см2, то есть полезный сигнал в 1000 раз меньше.
Если принять эффективность фотодиода 10%, то остаётся 10мкВт/см2
Ну и если взять фотодиод площадью 10 мм2, то остаётся 1мкВт.
В общем нужно как-то заменять изменение мощности в диапазоне 1-4мкВт с точностью до 1 нВт. Такое вообще реально?

 

Black_mirror
>>1) У меня не ключевой режим, мне нужно измерять перемещения порядка 50 миллиметров с точностью до 1/10 миллиметра с частотой не ниже 1 кГц
Я понял что ты хочешь мерять расстояние аналогово, но это не исключает применение модуляции по принципу вкл/выкл для борьбы с фоновой засветкой (#10). Частоту выборки в 10 кГц ты получишь без проблем, а вот за точность и главное стабильность этой точности придётся очень серьёзно побороться при любой частоте и при полном отсутствии засветки. Имхо поэтому стоит поискать альернативные решения.

>> 4) А как выбирается коэффициент усиления? Входом REF?
Коэффициент усиления как и режим измерения (обычный или дифференциальный) выбираются программно. А REF позволяет задать диапазон измерения независимо от режима предварительного усилителя, что тоже полезно.

>> 2), 5)... с точностью до 1 нВт. Такое вообще реально?
Именно поэтому и не стоит применять никакие рассеиватели - наоборот нужно выжимать максимум возможного из диаграмм направленности, это усложнит функцию яркость/расстояние (но её один раз откалибровал, запомнил и дальше не важно какая она) Зато по яркостям задача будет хотя-бы принципмально решаема, хотя не уверен что с требуемой точностью.

Желательно бы описать ТЗ поподробнее - что это такое перемещается? оно управляется контроллером который за ним следит или движется само по себе? траектория прямолинейная? криволинейная? произвольная? стационарная или каждый раз новая? Как на счёт пылезащищённости оптики? диапазон рабочих температур? и т.п.
Само техническое решение представляется странным и неоправданно сложным и имхо лучше рассматривать его не "висящим в вакууме" а в сравнении с другими методами - тогда и решать что же здесь подойдёт лучше.

ЗЫ:Вам шашечки нужны - или ехать? )

 

Y_Mur
1) Коэффициенты преобразования можно пересчитывать на ходу, если источник перемещается. Причём сам характер движения значения не имеет, главное шумы хорошо отфильтровать.

4) У меня эксперименты скорее всего на xmega будут проводиться, для неё коэффициент только 64 максимум. А вот про AREF для неё я нашёл, что он не может быть менее 1.1В, то есть сигнал с фотодиода нужно привести к диапазону 1В. В принципе можно поставить резистор порядка 1МОм, а датчики с диодом в тёмную трубу, по идее можно даже без внешнего усилителя обойтись.

Замерять нужно перемещение оси колеса железнодорожного вагона относительно ходовой тележки. До этого была попытка использовать лазерные дальномеры производства братьев славян. Но дальномеры их, несмотря на вполне подходящие характеристики, дохнут по неизвестным причинам. А импортные аналоги либо дорогие, либо медленные, либо боятся холода.
Следующий на очереди метод - двойное интегрирование показаний акселерометров, у него математика ничуть не проще чем в методе с освещённостью.
А вот измерение перемещения по изменению освещённости по стоимости должно быть в десятки раз ниже чем вышеперечисленные методы.

 

Black_mirror
Как раз навороченная математика с освещённостью ничем не поможет, поскольку теретические выкладки всё равно с практикой не сойдуться сильно, а чтобы хранить калибровочную кривую в виде таблицы с интерполяцией математика нужна не сложная. Условия работы по температуре для выбранного аналогового решения очень экстримальные. Имхо если оно заработает (при заявленной точности) то только на лабораторном столе - для вагона мотающегося с юга на север не пойдёт.
Имхо однозначно нужно переходить на цифровой сигнал - тем более что на выходе он всё равно дискретный и тому кто его в итоге получит всё равно какой там тип датчика.
Основной вопрос - насколько важна точка отсчёта? т.е. достаточно мерять форму и параметры колебаний? или важно знать именно их абсолютное взаиморасположение? или форма + гарантия что нет выхода за заданный диапазон?
Датчик имеет постоянное автономное питание? или произвольно включается выключается?

 

Герметичный корпус вагонному девайсу стопудово нужен (например измерительный шток с манжетой/сальником в трубе-корпусе).
Как вариант я бы попробовал взять готовый электронный штангельциркуль - он проходит по всем параметрам кроме быстродействия, поэтому его родной контроллер заменять на свой. На счёт их температурного дипазона тоже не знаю, но сдаётся мне что он будет определяеться не датчиком, а схемой (которую всё равно выкидывать).
ЗЫ: В герметичный корпус его разумеется тоже поместить.

 

Y_Mur
Для точности выбранного решения самое главное это линейность преобразования изменения освещённости и квадратичность его уменьшения при увеличении расстояния. А медленное уплывание температуры или коэффициентов усиления никакого влияния не имеет(если перемещения есть и мы можем сделать подкаллибровку, для покоящегося устройства коэффициенты определить нельзя). Точка отсчёта значения не имеет, желательно чтобы на малых интервалах времени(допустим минута) она сохраняла своё положение, но на больших(порядка часа) пусть хоть по всему диапазону плавает. Автономного питания у датчика нет, но пока едем его выключать никто не будет. Да и вообще всё что он выдаёт сохраняется и может анализироваться потом, то есть допустим мы стояли, параметры датчика уплывали от температуры, но как поехали, можем их определить и применить к моменту начала движения.
Про корпус это уже другие будут думать, мне главное чтобы метод хотя бы на столе работал.

 

Black_mirror
Как раз линейность и квадратичность это дело десятое - ещё раз повторю таблица+интерполяция запросто обеспечат тебе функцию любой сложности. Для точности нужна повторяемость (!) как можно что-то измерять линейкой, которая самопроизвольно меняет цену деления? И никакая подкалибровка тут не спасёт.
А раз точка отсчёта не важна я бы перешёл к оптической шкале с делениями которые считаются оптопарой (как в каретке струйного принтера) Если будут сложности с нанесением достаточно мелкой шкалы то поставил бы 3-4 шкалы параллельно с фазовым сдвигом (или 3-4 сдвинутые оптопары на одной шкале).
Но это всё если вдруг не получится доработать штангенциркуль

 

Black_mirror
Если всё же будешь доводить идею с освещённостью, то:
1) Никаких рассеивателей (точечных источников) чем уже диаграммы направленности свето и фотодиодов тем лучше. "Простая" для рассчётов квадратичная зависимость как ты верно рассчитал в #13 просто делает задачу нерешаемой.
2) На модуляцию исключающую фон не заморачивайся, поскольку всё равно светонепроницаемый корпус обязателен.
3) Имеет смысл сделать корпус-трубку в котором перемещается светодиод максимально узким и внутри отзеркалить стенки. Тогда может быть даже получится нечто похожее на линейную зависимость освещённости от расстояния. Строго линейной она естественно не будет, но это уже не будет неуловимая квадратичность.
4) И не пытайся это математически моделировать - калибровочная функция (напряжение на фотодиоде / расстояние) должна строиться экспериментапльно (и скорее всего каждый девайс потребует индивидуальной калибровки).
5) На отдельный АЦП вход (с предусилителем) завесь терморезистор (хотя сойдёт и любой диод в прямом напоравлении), чтобы иметь возможность вносить температурную поправку.

Желаю успехов Если вдруг добъёшься стабильной точности - черкни пару слов