Устройства (фотогаты) являются наиболее часто используемыми детекторами движения в демонстрационных экспериментах механических движений. Датчики движения могут быть использованы для достаточно точного определения времени различных событий, просты в использовании, в них используется достаточно простой принцип, позволяющий легко сосредоточиться на изучаемых явлениях.
Хотя существуют приборы для непосредственного измерения перемещений, скорости и ускорения, более низкая стоимость и простота фотогатов делает их более популярными. Типичное решение для значительного снижения затрат основано на захвате сигналов в реальном времени с мультимедийных компьютеров.
Сегодня компьютеры широко доступны, и все они имеют вход и выход для аналоговых сигналов через аудиоинтерфейс, так называемую звуковую карту. Этот порт может измерять зависимое от времени напряжение со скоростью до (и даже выше) 44 кГц, что дает отличное разрешение во времени, соответствующее требованиям механических экспериментов. Хотя абсолютная точность измеренной амплитуды ненадежна и низка, разрешение, относительная точность и линейность хороши, а главное, точны сроки, что идеально подходит для фотогатов.
Наиболее распространенным решением является использование отдельного источника света, фотоприемника, подключенного к аудиовходу с несколькими дополнительными компонентами и применение бесплатного программного обеспечения для записи звука и визуализации затенений.
Хотя он работает и его стоимость очень низкая, кроме сомнительных дидактических достоинств, этот метод имеет и дополнительные недостатки: из-за свойств аудиовхода можно наблюдать только изменения - нет информации о фактическом значении сигнала. Кроме того, использование программного обеспечения является неудобным, требуется дополнительное время для извлечения информации о времени. Однако существуют решения для преодоления этих проблем, поэтому фотогаты со звуковыми картами могут даже конкурировать с профессиональными устройствами.
Строение фотогата
Принцип действия фотогата довольно прост: луч света излучателя направлен на фотоприемник, поэтому если движущийся объект попадает между ними, он блокирует свет от детектора. Извещатель имеет более или менее двухсостоятельный выход, поэтому время начала и окончания прерывания света может быть измерено с помощью сигнализатора пересечения уровня. Источник света достаточно интенсивен для минимизации воздействия окружающего света, и в большинстве случаев для дальнейшего снижения чувствительности к паразитным компонентам используются пары оптических экранов, фильтров и инфракрасных детекторов излучения. На рисунке 1 показаны типичные схемы работы прерывателя и отражающего режима передачи (также известные как прерыватели).
Источники света
Лучшие источники света имеют малый диаметр и интенсивный световой луч, что позволяет четко обнаруживать даже небольшие объекты. Желательно иметь узкую оптическую полосу пропускания и, конечно, она должна быть согласована с диапазоном чувствительности детектора, или, по крайней мере, эти диапазоны должны достаточно хорошо перекрываться.
Фотодетекторы
Фотодетектор должен быть чувствительным, быстрым и иметь небольшую зондирующую поверхность для обеспечения наилучшего пространственного разрешения. Профессиональные фотогаты (и многие пульты дистанционного управления) используют инфракрасные пары LED-фототрансформаторов, благодаря их лучшей селективности и меньшей чувствительности к нежелательным источникам света. Это оптимальный выбор, однако приемлемыми могут быть и другие комбинации.
Обнаружение события, измерение времени
Блок обнаружения события и измерения времени делает фотокамеру полной. Эта часть определяет переходы выходных сигналов и измеряет время между этими событиями с помощью периодически управляемого счетчика. В зависимости от требуемого набора функций, мы можем использовать устройство для регистрации именно этого значения, или применить микропроцессор для дальнейшей обработки и предоставления более сложного дисплея. Если исходный сигнал фотоприемника оцифровывается и передается в персональный компьютер, большая часть обработки сигнала может быть выполнена с помощью программного обеспечения - это наиболее гибкое решение.
Как подключить фотогаты к ПК
Персональные компьютеры имеют несколько портов для подключения к внешним сигналам и устройствам. Большинство из этих портов являются цифровыми и требуют специальных протоколов связи. На современных компьютерах USB является наиболее часто используемым портом общего назначения для подключения к внешним устройствам, но для этого также требуется внешнее аппаратное обеспечение и программное обеспечение драйвера.
Звуковая плата является единственным портом для аналоговых входных/выходных сигналов. Измерять и генерировать только переменное напряжение можно в диапазоне около 1 Вольт. Перечисленные выше фотоприемники могут быть легко размещены для обеспечения вывода напряжения с помощью одного или двух дополнительных электронных компонентов. Многие источники света являются полностью внешними, но некоторые могут управляться с компьютера.
Возможности сопряжения извещателей
Фототрансформаторы часто используются в так называемой общей конфигурации излучателя для получения выходного напряжения, зависящего от освещенности. Эмиттер заземлен, коллектор подключен к источнику положительного напряжения через последовательный резистор. Чем выше интенсивность света - при прохождении большего тока через транзистор - тем ниже напряжение коллектора в этом случае.
Очень похожий метод работает для фоторезисторов, когда делитель напряжения может быть построен с использованием последовательно подключенного резистора и фоторезистора, смещенного источником напряжения. В обоих случаях детекторы работают как светорегулируемые выключатели.
Фотодиоды могут работать в фотоэлектрическом (выходное напряжение) или фотопроводящем (токовый выход) режимах, в последнем случае используется параллельный оконечный резистор. Солнечные батареи представляют собой фотодиоды практически большой площади, работающие в фотоэлектрическом режиме, поэтому выходной сигнал можно рассматривать как напряжение.
Фотоприемники с внутренним смещением
Звуковая карта имеет два вида входных портов для внешних устройств: микрофонный и линейный входы. Оба принимают напряжение в диапазоне около 1 В, но порт микрофона может иметь функцию усиления (усиление 10 или около того), чтобы принимать даже более мелкие сигналы. В большинстве случаев микрофоны ПК представляют собой электретные микрофоны, которым требуется питание, поэтому для устранения необходимости в батареях микрофонный вход обеспечивает необходимое напряжение смещения.
Это означает, что все фотоприемники могут быть напрямую подключены к входному микрофонному порту ПК, дополнительные компоненты не требуются. Vbias можно легко измерить, подключив вольтметр между наконечником или кольцом и втулкой вилки разъема 3,5 мм. Замена вольтметра на амперметр покажет значение тока.
Фотоприемники с внешним смещением
Фотоприемники могут быть подключены к линейному входу, а также при наличии внешнего напряжения смещения. Обычно используются батареи, но USB-порт также имеет клемму питания 5 В, поэтому можно исключить риск разряда батарей.
Выбор фотодетекторов
На рынке представлено несколько различных фотодетекторов, почти все фототранзисторы и фоторезисторы будут достаточно хорошо работать в приложении звуковой карты фотогата. Поскольку все они работают в конфигурации делителя напряжения и звуковой карты имеет высокое амплитудное разрешение, единственным требованием является обеспечение четко определяемого изменения напряжения, скажем, в диапазоне от 0,1 В до 1 В, когда происходит прерывание света.
Более чувствительные фотоприемники, безусловно, лучше. Инфракрасные фототранзисторы с оптическими фильтрами менее чувствительны к паразитным источникам света, но источник света должен быть согласован. Обратите внимание, что фоторезисторы - это значительно медленнее и менее чувствительнее, поэтому предпочтение отдается фототранзисторам.
Фотодетекторы уже ограничивают ток в безопасном диапазоне в большинстве случаев, очень маловероятно, что они могут нести такой большой ток, который может привести к повреждению внутренних схем. В любом случае, использование последовательного резистора обеспечивает надежную защиту во всех случаях, даже если напряжение смещения питается от батареи 9V.