Некоторые вопросы конструирования любительских оптических локаторов. Часть 1 (Окончание)

Журнал РАДИОЛОЦМАН, октябрь 2019

М.П. Басков
О.Д. Левашов

Часть 1

Настройка излучателя

Подключаем драйвер излучателя к источнику питания и светодиоду, затем вставляем объектив излучателя в тубус.

Важно! Диаметр объективов в районе линзы примерно на 0.3 мм больше, чем на противоположном торце. Если не учесть этого обстоятельства, то с большой долей вероятности вы не получите должной параллельности оптических осей. Нами использовалась подмотка узкой ленточкой скотча до точного совпадения диаметров.

Включаем камеру и устанавливаем ее коннект со смартфоном. Убедившись, что видим на экране смартфона четкую и крупную картинку мишени, подаем на излучатель ток 100 мА с частотой 1 кГц и скважностью, равной двум. На экране смартфона увидим примерно такую картинку, как на Рисунке 6.

Изображение на мишени. Расстояние 3 м, объектив 3 градуса.
Рисунок 6. Изображение на мишени. Расстояние 3 м, объектив 3 градуса.

На экране мы видим изображение кристалла фотодиода в виде квадрата со стороной 20 сантиметров, что соответствует углу расхождения луча 5 градусов.

Повозившись с настройкой излучателя, заключающейся в смещении светодиода по оси в пределах ±0.1 мм, можно добиться угла расхождения луча 4 градуса.

Однако добиться заявленного продавцом угла в 3 градуса нам не удалось ни на одном из 20 объективов.

Найдя наилучшее положение светодиода, его следует зафиксировать в отверстии объектива с помощью моментального клея. Еще раз напоминаем о максимальной осторожности при работе с моментальным клеем, который ни в коем случае не должен попасть на линзу светодиода!

После того как светодиод надежно приклеен к объективу, приклеиваем к нему радиатор, так как средний ток через светодиод работающего локатора может составлять от 0.5 до 1 А. Объектив в сборе должен выглядеть примерно так, как показано на Рисунке 7.

Объективы излучателей в сборе.
Рисунок 7. Объективы излучателей в сборе.

Следующий этап настройки заключается в юстировке лазерного целеуказателя.

Вставьте лазер в трубку и подайте на него напряжение 4 В при токе около 20 мА. В готовом локаторе ток лазера целеуказателя следует увеличить до 40 мА.

Если световое пятно лазера автоматически не расположится в центре светового пятна излучателя локатора, используйте для юстировки тонкие полоски фольги.

Добившись удовлетворительного результата, зафиксируйте положение лазера при помощи термоклея.

Не трогайте лазер до полного остывания клея, иначе процедуру юстировки целеуказателя придется повторить! Далее камера нам не нужна, и ее можно выключить.

Последний этап заключается в юстировке фотоприемника; это наиболее трудоемкий этап.

Объектив фотоприемника нужно плотно вставить в тубус так, чтобы можно было легко двигать фототранзистор во втулке объектива. Соединяем фототранзистор с усилителем максимально короткими проводами. Включаем осциллограф и подключаем его к выходу усилителя.

Поскольку сигнал на выходе предварительного усилителя весьма мал, для его четкого обнаружения используем сигнал синхронизации от генератора.

Как правило, после подачи питания на предусилитель на экране осциллографа уже можно разглядеть отраженный сигнал на фоне различных наводок, которые на данном этапе неизбежны.

Постепенно увеличиваем ток через светодиод, добиваясь улучшения соотношения сигнал/шум. При этом постоянно контролируем температуру светодиода, не допуская ее увеличения более 50 градусов.

При помощи пинцета аккуратно двигаем фототранзистор взад-вперед, добиваясь максимальной амплитуды принимаемого сигнала, после чего аккуратно фиксируем фототранзистор при помощи термоклея.

Описанный выше процесс не только позволит отладить Приемопередатчик, но и даст представление о том, какой ток следует подвести к светодиоду, и какой коэффициент усиления должен иметь усилитель сигнала фотоприемника.

На этом настройку Приемопередатчика можно считать завершенной.

Рекомендации по конструкции локатора

При конструировании корпуса локатора важно соблюдать все правила электромагнитной совместимости принимающих и передающих блоков. Мы использовали для макетирования корпус-стенд из двустороннего фольгированного текстолита, разделенного на экранированные отсеки, с разделением аналоговой и цифровых частей.

На предельных дальностях обнаружения полезный сигнал на выходе фотоприемника может быть менее 1 мВ, поэтому важно максимальное внимание уделить экранированию, как предварительного усилителя, так и драйвера мощного светодиода. Однако межблочного экранирования оказалось недостаточно, и мы пришли к идее размещения драйвера и предварительного усилителя в металлических тубусах в непосредственной близости от излучателя и приемника, соответственно.

После размещения драйвера и предусилителя в соответствующих тубусах их следует закрыть экранирующими крышками из фольгированного текстолита с установленными на них разъемами. Крышки следует пропаять по периметру.

Выглядеть это должно примерно так, как показано на Рисунке 8.

Тубус излучателя в сборе. Драйвер внутри.
Рисунок 8. Тубус излучателя в сборе. Драйвер внутри.

На рисунке показан одиночный тубус излучателя из другого проекта, но конструкция идентичная.

Теперь к барьеру

Для иллюстрации эффективности представленной конструкции Приемопередатчика мы опишем несколько макетов локатора и полученные с их помощью результаты.

Электронные схемы, приведенные ниже, лишь уточняют условия экспериментов и не обязательны для повторения.

Поскольку данная работа носит исследовательский характер, то схемы содержат только индикацию наличия отраженного сигнала. Каждый конструктор может самостоятельно разработать электронную часть локатора на основе собственного опыта, знаний, доступной элементной базы и назначения прибора.

В процессе исследований были испытаны различные комбинации объективов, излучателей и фотоприемников.

Комбинация первая

Объективы десятиградусные, с диаметром линзы 10 мм.

Фотоприемник – двухвыводной инфракрасный фототранзистор 940 нм.

В качестве излучателя используется инфракрасный трехваттный светодиод 940 нм, снабженный небольшим пластинчатым радиатором.

Предварительный усилитель трехкаскадный, выполнен на цифровой микросхеме CD4011, элементы которой работают в линейном режиме (Рисунок 9).

Принципиальная схема макета локатора по варианту 1.
Рисунок 9. Принципиальная схема макета локатора по варианту 1.

Анализатор выполнен на микросхеме LM567, работающей в штатном режиме.

Сигнал с частотой в районе 960 Гц вырабатывается генератором, входящим в состав микросхемы LM567 и усиливается по мощности полевым транзистором IRF3205. Схема требует продуманного и аккуратного монтажа, так как инверторы CD4011, работающие в линейном режиме, весьма склонны к самовозбуждению.

Питание предварительного усилителя и анализатора осуществляется от стабилизированного источника напряжения 6 В, получаемого от аккумуляторной батареи типоразмера «Крона»; питание усилителя излучателя осуществляется от аккумулятора 18650 емкостью 2 А·ч.

В качестве индикатора используется светодиод. Лазерный целеуказатель подключается через тумблер к аккумулятору передатчика.

Результаты полевых испытаний показывают, что изготовленный таким образом локатор уверенно обнаруживает человека ростом 160 см на расстоянии до 14 метров солнечным днем и до 16 метров в сумерках. Крупные препятствия, например стены, надежно обнаруживаются на расстоянии до 25 метров.

Видеоматериалы испытаний, проведенных днем и в сумерках, содержатся в файлах, которые можно скачать по ссылкам в конце статьи.

Чтобы ваш локатор с фототранзистором в качестве сенсора уверенно работал ночью, придется несколько переделать фотоприемник в соответствии с авторской статьей [2].

Если очень кратко, то суть идеи в следующем. При полном отсутствии внешнего освещения чувствительность локатора существенно уменьшается, так как рабочая точка фототранзистора смещается в область отсечки. Для вывода рабочей точки на линейный участок характеристики используется подсветка сенсора слабым инфракрасным светом. Как показано в статье, ночная чувствительность сенсора при этом возрастает примерно в три раза. На схеме приведенной выше, элементы подсветки обозначены как VD3, R6 и R7.

На коллаже (Рисунок 10) слева – изображение тыльной стороны тубуса, содержащего объектив сенсора с подсветкой и предварительный усилитель, справа – изображение объектива, в который установлен сенсор с подсветкой.

Тубус модифицированного фотоприемника и объектив с подсветкой сенсора.
Рисунок 10. Тубус модифицированного фотоприемника и
объектив с подсветкой сенсора.

По оси объектива – выводы фототранзистора, поперек оси – выводы светодиода подсветки.

Видны следы пайки и клея, поскольку фото было сделано после разборки Приемопередатчика по завершении эксперимента.

Комбинация вторая

Объективы трехградусные (по факту 4 градуса), с диаметром линзы 20 мм. Фотоприемник – микросхема TSOP4836 фирмы Vishay Intertechnologies.

Микросхема имеет прекрасные характеристики при прямом облучении на расстоянии до 24 м. Мы решили проверить, как поведет себя эта микросхема при приеме отраженного сигнала. Не надеясь на сравнимые результаты, мы использовали объективы с линзами диаметром 20 мм.

Принципиальная схема значительно упрощается за счет отсутствия аналоговой части (Рисунок 11).

Принципиальная схема локатора на основе TSOP4836.
Рисунок 11. Принципиальная схема локатора на основе TSOP4836.

Задающий генератор на элементах DD1-1, DD1-2, DD1-3 формирует пачки импульсов частотой 36 кГц. Длительность пачки некритична и составляет 2-4 мс.

Пачка импульсов усиливается транзистором IFR3205, который, также как и в предыдущей конструкции, помещен в тубус излучателя вместе с токоограничивающим резистором и конденсатором фильтра.

Фотоприемник TSOP4836 также помещен в экранирующий тубус, что полностью исключает влияние внутренних и внешних электромагнитных помех.

На выходе фотоприемника формируется отрицательный импульс с длительностью, равной длительности пачки, который инвертируется элементом DD1-4 и подается на счетный вход D-триггера DD2-1.

На D-вход подается положительный импульс с длительностью, равной длительности пачки от задающего генератора. Передним фронтом этого импульса триггер сбрасывается в исходное положение. Поскольку импульс от фотоприемника запаздывает относительно сигнала, формируемого генератором, примерно на 30 мкс, это дает возможность стробировать передним фронтом этого импульса мастер-сигнал от задающего генератора.

Питается локатор от одного аккумулятора 1865.

Испытания макета локатора показали, что человек ростом 160 см уверенно обнаруживается на расстоянии 19.6 м, а уверенное обнаружение матовой плоскости размером 30 см × 180 см происходит на расстоянии 34.6 м.

Видеоматериалы испытаний можно скачать по ссылке в конце статьи.

Заключение

В первой части статьи рассмотрены некоторые вопросы конструирования инфракрасных локаторов и результаты испытаний экспериментальных образцов.

В статье подробно рассмотрена конструкция Приемопередатчика локатора, обеспечивающая параллельность оптических осей приемника и передатчика.

Современные технологии, в частности 3D-печать металлом, не только смогут обеспечить параллельность оптических осей, но и позволят создать эстетичные и технологичные конструкции.

Точно так же, приведенные электронные схемы могут быть заменены другими, выполненными с помощью специализированных малошумящих микросхем и микроконтроллеров.

Литература

  1. Можаров Г. Геометрическая оптика. СПБ. Издательство «Лань». 2017 г.
  2. Левашов О. Д., Басков М. П. Увеличение чувствительности фотоприемника на базе фототранзистора

Материалы по теме

  1. Datasheet BetLux BL-L515RGBC-CA
  2. Datasheet Texas Instruments CD4011B
  3. Datasheet Texas Instruments CD4013B
  4. Datasheet Texas Instruments CD4093B
  5. Datasheet Texas Instruments CD40107B
  6. Datasheet International Rectifier IFR3205
  7. Datasheet Texas Instruments LM567C
  8. Datasheet Vishay TSOP4836
Видеоматериалы испытаний оптического локатора (день)
 
Видеоматериалы испытаний оптического локатора (сумерки)
 
Результаты испытаний оптического локатора

 

Часть 2

Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя