Материал: Датчик регистрации пересечения створа ворот футбольным мячом

Датчик регистрации пересечения створа ворот футбольным мячом

Белорусский Национальный Технический Университет

ПРИБОРОСТРОИТЕЛЬНЫЙ факультет

Кафедра «Информационно-измерительная техника и технологии»

КурсовАЯ РАБОТА

по дисциплине «Первичные измерительные преобразователи в спортивной технике»

ДАТЧИК РЕГИСТРАЦИИ ПЕРЕСЕЧЕНИЯ СТВОРА ВОРОТ ФУТБОЛЬНЫМ МЯЧОМ

Исполнитель:      Студент группы 119810

Шульга О. В.

Руководитель:                                                    Ризноокая Н. Н.

Минск 2013

РЕФЕРАТ

Пояснительная записка 38с., 25 рис.

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК, ВНЕШНИЙ ФОТОЭФФЕКТ, ВНУТРЕННИЙ ФОТОЭФФЕКТ, ПОГРЕШНОСТЬ, ИЗМЕРЕНИЕ

Целью курсовой работы является анализ существующих методов регистрации пересечения створа ворот футбольным мячом, выбор соответствующего датчика, анализ возможных погрешностей.

В процессе выполнения работы был описан принцип действия фотоэлектрических датчиков, составлена функциональная схема, произведен анализ источников погрешностей.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

. Обзор существующих методов измерения физической величины и их сравнительный анализ

.1      Принцип действия фотоэлектрических преобразователей

.1.1 Внешний фотоэффект

.1.2 Внутренний фотоэффект

.1.3 Модулированное излучение

.1.4 Избыточный коэффициент усиления

.2 Виды фотоэлектрических датчиков

.2.1 Типы датчиков по методу сканирования

.2.2 Датчики прямого луча

.2.3 Датчики отраженного луча

.2.4 Датчики рассеянного луча

. Описание принципа действия ПИП в статическом и в динамическом режимах

. Описание функциональной схемы ПИП, в том числе схемы преобразования измеряемой величины в электрический сигнал

. Анализ источников методических и инструментальных погрешностей выбранной схемы ПИП

.1 Источники погрешностей от приемников излучения

.2 Погрешности от нестабильности условий измерений

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ВВЕДЕНИЕ

Спортивная инженерия по отношению к спортивной тренировке, это прежде всего решение педагогической задачи техническими средствами. Основным средством спортивной тренировки является физическое упражнения, поэтому в совокупности с техническим средством они приобретает новые формы, совершенствует свои потребительские, эксплуатационные и методические свойства, которые зависят непосредственно от создателя требуемой спортивной техники.

Футбол - это командный вид спорта. Игроки каждой из команд решают общую задачу - забить гол в ворота соперников. Доступность футбола, простота инвентаря и оборудования, необходимость проявления воли и мужества при преодолении действий соперников делают футбол, как вид спорта, ценным средством физического воспитания. В наше время необходимая подготовленность футболистов осуществляется путем интенсивных тренировок. Поэтому, проанализировав тренировочный процесс, необходимо выбрать адекватное техническое средство, которое позволяет тренироваться наиболее продуктивно и качественно. Одним из вариантов улучшения качества тренировочного процесса является статистический анализ. Это можно осуществить путем подсчета количества точных попаданий футболиста в створ ворот.

1. Обзор существующих методов измерения физической величины и их сравнительный анализ

Существует множество способов регистрации пересечения створа ворот футбольным мячом. Однако наиболее надежным, экономичным и качественным способом решения поставленной задачи является регистрация с помощью фотоэлектрического датчика.

1.1    Принцип действия фотоэлектрических преобразователей

Фотоэлектрическими называются такие преобразователи, у которых выходной сигнал изменяется в зависимости от светового потока, падающего на преобразователь. Явление фотоэффекта было открыто русским ученым А. Г. Столетовым в 1888 г.

Фотоэлектрическим эффектом называется явление преобразования световой энергии в электрическую. Фотоэлектрический преобразователь представляет собой фотоэлектронный прибор (фотоэлемент), используемый в качестве измерительного преобразователя. Имеются три типа преобразователей: преобразователи с внешним фотоэффектом, с внутренним фотоэффектом и фотогальванические преобразователи.

1.1.1 Внешний фотоэффект

Внешним фотоэффектом называется испускание электронов веществом под действием электромагнитных излучений. Электроны, которые вылетают из вещества при внешнем фотоэффекте (рисунок 1), называются фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими при упорядоченном движении во внешнем электрическом поле, называется фототоком.

Рисунок 1 - Внешний фотоэффект

Внешний фотоэффект можно наблюдать в газах, жидкостях и твердых телах. Практическое значение имеет внешний фотоэффект из твердых тел в вакуум.

Вакуумный фотоэлемент - один из приборов, основанный на внешнем фотоэффект. Он состоит из стеклянного баллона, часть внутренней поверхности которого покрыта металлом. Баллон является катодом К. Металлическое кольцо А служит анодом (рисунок 2).

Рисунок 2 - Вакуумный фотоэлемент

Электрическая цепь на рисунке 2 разомкнута; ток в ней будет существовать, только если из катода будут вырваны (например, светом) электроны, которые затем достигнут анода. Сила фототока зависит от числа электронов, вылетающих из катода электронов или от их начальной скорости, а также от разности потенциалов между катодом и анодом. Зависимость силы фототока от анодного напряжения (при постоянной освещенности катода) называется вольтамперной характеристикой (ВАХ) фотоэлемента (рисунок 3).

Рисунок 3 - Зависимость I от U

При напряжении U равном 0 некоторые из фотоэлектронов долетают до анода, поэтому I ≠ 0 при U = 0. С увеличением U анода достигают все большее число электронов, и сила фототока при этом постепенно возрастает. При некотором напряжении (называемым напряжением насыщении Uнас) все фотоэлектроны достигают анода, и при дальнейшем увеличение напряжения не приводит к увеличению силы тока. Полученное значение силы фототока называется током насыщения I нас. По значению силы тока насыщения можно говорить о количестве электронов n , испускаемых катодом за единицу времени:

нас = en (1)

В случае, когда анодное напряжение отрицательно, то оно будет существенно тормозить фотоэлектроны, и в следствии сила тока уменьшится. При некотором значении напряжения U = UЗ < 0 (запирающее напряжение) даже самые быстрые фотоэлектроны не в силах достигнуть анода. В этом случае ток прекращается и вся начальная кинетическая энергия электронов будет расходоваться на совершение работы против сил задерживающего электрического поля:

= eUЗ (2)

Таким образом, измерив задерживающее напряжение UЗ, можно определить максимальное значение скорости и кинетической энергии фотоэлектронов. Измеряя величину тока насыщения, можно судить о величине потока излучения, падающего на фотокатод (1).

1.1.2 Внутренний фотоэффект

Внутренний фотоэффект представляет собой процесс образования свободных носителей заряда внутри вещества при воздействии излучения. Взаимодействие излучения с веществом (далее будем рассматривать только полупроводники) может происходить без изменения или с изменением энергии падающего кванта. В этом случае лишь поглощение фотонов представляет интерес. При этом, однако, возможно такое поглощение, при котором энергия фотона переходит в упругие колебания кристаллической решетки, иными словами, в энергию фононов, в результате поглощение излучения вызывает повышение температуры тела.

Внутренний фотоэффект наблюдается в диэлектриках и полупроводниках. Он заключается в обусловленном действии света перераспределении электроном по энергетическим уровням. Если энергия кванта hʋ превышает ширину запрещенной зоны, поглотивший квант электрон переходит из валентной зоны в зону проводимости. В результате появляется дополнительная пара носителей тока - электрон и дырка, что проявляется в увеличении электропроводности вещества. Если в веществе имеются примеси, под действием света электроны могут переходить из валентной зоны на уровни примеси или с примесных уровней в зону проводимости. В первом случае возникает дырочная, во втором - электронная фотопроводимость.

Этот эффект находит и практическое применение в одной из разновидностей фотоприемников - болометрах, но из-за невысокой чувствительности и низкого быстродействия болометры в оптоэлектронике не применяются. Лишь непосредственное возбуждение атомов, заключающееся в появлении дополнительных носителей заряда (фотоносителей), относится к фотоэффекту. Фотоэффект проявляется в электронных переходах двух типов: собственных (фундаментальных) и примесных. Собственные переходы (или собственная проводимость) сопровождаются увеличением концентрации свободных носителей обоих знаков - и электронов, и дырок. Математическое условие начала возникновения собственной фотопроводимости записывается так:

, (3)

где hv - энергия кванта излучения.

При выполнении этого условия вблизи границы поглощения, зависимость коэффициента поглощения от энергии кванта для прямозонных и не прямозонных полупроводников соответственно имеет вид:

(4)

(5)

где А и В - константы;

- энергия фонона, а выбор знака в зависит от того, идет ли процесс с отдачей энергии фонону (плюс) или с получением энергии от него (минус).

Рисунок 4 - Собственные (1) и примесные (2, 3) фотопереходы электронов в полупроводнике (Ел - уровень ловушки)

излучение измерение погрешность фотоэлектрический

На внутреннем фотоэффекте основано действие так называемых фотосопротивлений. Количество образующихся носителей тока пропорционально падающему световому потоку. Поэтому фотосопротивления применяются для целей фотометрии. Первым полупроводником, нашедшим применение для этих целей, был селен.

В последнее время для видимой части спектра стали широко применяться фотосопротивления из CdS. Фотосопротивления из полупроводников PbS, PbSe, PbTe и InSb используются в качестве детекторов инфракрасного излучения; они намного превосходят термоэлектрические болометры.

Рисунок 5 - Область p-n перехода или на границе металла

В области p-n перехода или на границе металла с полупроводником может наблюдаться вентильный фотоэффект. Он заключается в возникновении под действием света электродвижущей силы. На рисунке показан ход потенциальной энергии электронов (сплошная кривая) и дырок (пунктирная кривая) в области p-n перехода. Неосновные для данной области носители (электроны в p-области и дырки в n-области), возникшие под действием света, проходят через переход. В результате в p-области накапливается избыточный положительный заряд, в n-области - избыточный отрицательный заряд. Это приводит к возникновению приложенного к переходу напряжения, которое и представляет собой фотоэлектродвижущую силу. Если р- и n-области кристалла подключить к внешней нагрузке, в ней будет течь ток. При не очень больших освещенностях силы тока пропорциональна падающему на кристалл световому потоку. На этом основано действие фотоэлектрических фотометров, в частности применяемых в фотографии экспонометров (2).

1.1.3 Модулированное излучение

Модулированный луч увеличивает диапазон измерений и снижает влияние внешних источников освещения. Такой луч пульсирует на определенной частоте от 5 до 30 кГц. Фотоэлектрический датчик хорошо отличает модулированный луч от внешнего источника освещения. Источники света, которые применяется в конструкции датчиков, находятся в световом спектре от видимого зеленого до невидимого инфракрасного излучения. Обычно производители для этой цели используют светодиоды.

Рисунок 6 - Световой спектр

Когда луч достигает объекта, возникают такие явления, как отражение, поглощение и передача света. Их параметры и коэффициенты напрямую зависят от объекта, его материала, поверхности, толщины и цвет.

Расположенные близко друг от друга, два фотоэлектрических устройства могут создавать взаимные помехи. Поэтому между датчиками всегда существует минимальное расстояние. Такая проблема решается с помощью специальных защитных покрытий и точного позиционирования датчиков. Вся необходимая информация по этому вопросу приводится в спецификации.

1.1.4 Избыточный коэффициент усиления

Многие промышленные условия предполагают наличие пыли, грязи, дыма, влаги и других вредных компонентов окружающей среды. Датчики, которые работают в условиях присутствия хотя бы трех вышеперечисленных факторов, требуют большего количества света для нормальной работы. Избыточный коэффициент усиления представляет количество излучаемого света, выработанного сверх номинальной нормы приемника. В идеальных условиях среды (чистый воздух) коэффициент усиления близок или равен единицы. Однако если воздух в помещении содержит переносимые частицы, которые поглощают до 50% светового пучка, необходимо установить коэффициент усиления 2 для приемника датчика. Коэффициент усиления рассчитывается по логарифмической шкале, как показано на рисунке 7. На приведенном графике видно, что если необходимо измерять объекты на расстоянии одного метра с помощью разнесенных излучателя и приемника, коэффициент усиления должен быть 30. Другими словами, для нормальной работы приемника требуется световой луч в 30 раз ярче номинальной яркости.

Рисунок 7 - Логарифмическая шкала

Коэффициент усиления уменьшается при увеличении рабочего расстояния. Однако не следует забывать, что рабочее расстояние для разных типов датчиков понимается по-разному: если для датчиков с прерыванием луча оно равно расстоянию от излучателя до приемника, то для совмещенных датчиков, отражающих от объектов, это расстояние от датчика до самого целевого объекта.

Зона срабатывания

Фотоэлектрические датчики работают в определенной зоне срабатывания. Она зависит от принципов распределения светового пучка и диаметра светового пятна. Это связано с тем, что приемник датчики срабатывает только в том случае, если целевой предмет попадает в зону светового пятна.

Рисунок 8 - Зоны срабатывания

Сплошная линия - датчик без подавления заднего фона, пунктирная линия датчик с подавлением заднего фона.

1.2 Виды фотоэлектрических датчиков

Фотоэлектрические датчики - это один из типов устройств, предназначенных для позиционирования объекта. Такие датчики используют модулированный световой пучок, который прерывается или отражается от целевого объекта.

Конструктивно фотоэлектрический датчик состоит из нескольких основных блоков:

(a)     - эмиттер (источник излучения), который преобразовывает модулированный электрический сигнал в световую энергию.