Статьи
В данной статье можно ознакомиться с номенклатурой и техническими характеристиками основных типов фотоэлектрических датчиков, выпускаемых немецкой компанией SICK AG.
Разработка все более сложных «интеллектуальных» сенсоров и сенсорных систем, предназначенных для автоматизации производственных и технологических процессов, является основным направлением деятельности фирмы SICK AG. Небольшая фирма, основанная в 1946 г., за время своего существования превратилась в крупный международный концерн. Постоянное внедрение новей¬ших технологий и продуманная ценовая политика обеспечивают фирме SICK лидирующие позиции на мировом рынке. В частности, на рынке фотоэлектрических и оптических датчиков с расширенными возможностями (датчики расстояния, датчики цвета и контраста, датчики люминесцентных меток и т.д.) по объему продаж данных типов изделий фирма SICK AG занимает первое место в мире.
Как и в остальной продукции фирмы, в фотоэлектрических датчиках SICK используются новейшие достижения науки, техники и технологий, что позволяет достичь оптимального соотношения показателя цена/характеристики. Авторами многих из этих разработок являются специалисты фирмы. Стоит отметить, что на научные разработки она тратит приблизительно 9% от годового оборота.
Фотоэлектрические датчики можно использовать практически во всех отраслях промышленности в качестве бесконтакт¬ных выключателей для подсчета, обнаружения, позиционирования и других задач на любой технологической линии.
Компания SICK AG начинала свою деятельность с фотоэлектрических и в ассортименте выпускаемых изделий следует выделить следующие классы:
- фотоэлектрические датчики с отражением от объекта (proximity photoelectric switches);
- фотоэлектрические датчики с отражением от рефлектора (reflex photoelectric switches);
- фотоэлектрические датчики на основе пересечения луча (through-beam photoelectric switches);
- фотоэлектрические датчики с подавлением переднего фона (proximity photoelectric switches with foreground suppression);
- фотоэлектрические датчики с подавлением заднего фона (proximity photoelectric switches with background suppression);
- фотоэлектрические датчики с оптоволоконным кабелем (fiber-optic photoelectric switches).
На рынке достаточно много фирм, которые выпускают подобного вида изделия. На первый взгляд, изделия одной фирмы незначительно отличаются от продукции дру¬гой. Однако современные фотоэлектрические датчики представляют собой сложные устройства. В них инженеры воплотили современные технологии и последние достижения науки.
Остановимся на классе фотоэлектрических датчиков, которые работают по принципу отражения от объекта (см. рис. 1). Это наиболее недорогие фотоэлектрические датчики, чувствительность которых изменяется с помощью потенциометра.
Светлые объекты отражают больше света, чем темные и, кроме того, светлый объект можно обнаружить на большей дистанции. Для того чтобы достичь подобных результатов с темным объектом, чувствительность датчика увеличивается с помощью вращательного потенциометра.
Рис. 1. Принцип работы датчика с отражением от объекта
Следует отметить, что для этих датчиков определенную проблему составляет распознавание темных объектов на светлом заднем фоне. В то же время эти устройства – идеальный выбор для обнаружения светлых объектов на темном заднем фоне. Следует также упомянуть о существовании определенных проблем с обнаружением зеркальных предметов со сложной геометрией поверхности, а также о возможности негативного влияния внешних источников освещения.
Основные достоинства этого типа датчиков следующие: отсутствует необходимость в рефлекторе, невысокая стоимость, возможность надежного определения светлых объектов на черном фоне. К недостаткам следует отнести отсутствие подавления переднего и заднего фона и проблемы с определением черных объектов на светлом фоне.
Следующий тип датчиков – фотоэлектрические датчики, работающие по принципу пересечения луча. В этом методе передатчик и приемник разделены по корпусам, что позволяет устанавливать их напротив друг друга на рабочем расстоянии. Принцип работы основан на том, что передатчик постоянно посылает световой луч, поступающий в приемник. Если световой сигнал датчика прерывается в результате перекрытия сторонним объектом, приемник немедленно реагирует, меняя состояние выхода. Принцип действия датчика на основе пересечения луча представлен на рисунке 2.
Основными преимуществами данного типа датчиков является большой диапазон работы (до 350 м), надежное обнаружение объектов в пыльных и влажных помещениях, обнаружение объектов с высокой отражательной способностью, а также обнаружение небольших объектов. Недостатками являются большая стоимость, чем датчиков с отражением от объектов, большие трудности при инсталляции, а также настройке датчиков из-за наличия двух компонентов.
Следующая большая группа датчиков – фотоэлектрические датчики, работающие на основе отражения оптического луча от рефлектора (отражателя). Световой луч отражается от рефлектора, и отраженный луч детектируется датчиком. Эти устройства бывают двух видов: датчики с двумя линзами и датчики с автоколлимациеи, принцип действия которых представлен на рисунке 4.
При использовании фотоэлектрических датчиков положения с подав¬лением переднего или заднего фона диапазон сканирования устанавливается путем оптической юстировки. Преимуществами датчиков с подавлением заднего фона являются отсутствие надобности в отражателе, необнаружение объектов на заднем фоне (за зоной чувствительности), детектирование очень маленьких объектов с отличной точностью, выявление даже небольшого изменения положения объекта, обнаружение темных объектов на светлом заднем фоне. Недостатками являются ограниченная рабочая дистанция (до 2 м), возможные проблемы с надежным обнаружением объекта в случае изменения заднего фона и, конечно, стоимость – эти датчики являются более дорогими по сравнению с датчиками с отражением от объекта.
Необходимо учитывать ряд сложных моментов при использовании таких датчиков:
- проблемы с обнаружением объектов с зеркальной поверхностью и объектов, имеющих сложную форму поверхности, – в этом случае отраженный луч может не попасть в фотоприемник;
- если в заднем фоне находятся зеркальные объекты, то отраженный от них луч может приводить к лож¬ным срабатываниям;
- источники освещения, находящиеся на заднем фоне, значительно влияют на работу датчика;
- необходимо устанавливать фотоэлектрические датчики так, чтобы движение объектов относительно датчика происходило в направлениях, показанных на рисунке 3 (красными стрелками отмечены нежелательные траектории движения объекта);
- следует учитывать, что отражательная способность и цвет объекта влияют на рабочий диапазон.
Заканчивая описание фотоэлектрических датчиков с подавлением заднего фона, следует упомянуть о новых возможностях, которые реализованы в третьем поколении датчиков компании SICK. В них использована электронная настройка рабочей зоны с помощью КМОП-элемента. Данный элемент представляет собой фотопластину, разделенную на 16 полос различной ширины по логарифмическому закону, выполненную по технологии ASIC. В зависимости от того, в какую из областей возвращается отраженный луч, датчик детектирует объект.
Кроме этого в этих датчиках реализованы цифровой алгоритм компенсации гистерезиса, подавление внешних источников освещения, обнаружение объектов с блестящими поверхностями и интересный механизм компенсации нежелательных отражений луча от зеркальных объектов. Для этого имеется дополнительный фотоизлучатель, который по отраженному лучу на КМОП-элементе выделяет области, которые не будут учитываться в дальнейшем при работе.
Фотоэлектрические датчики с подавлением переднего фона при меняются значительно реже по сравнению с датчиками с подавлением заднего фона. Этими датчиками обнаруживаются объекты в пределах задаваемой области сканирования. Объект между задним фоном (граница области сканирования) и датчиком надежно обнаруживается даже при его минимальных размерах.
Подавление переднего фона реализовано путем специального расположения фотоприемника и излучателя сигнала. Чтобы гарантировать надежную работу этих датчиков, задний фон (например, конвейерная лента) должен быть относительно светлым по цвету и не иметь значительных флуктуации по высоте.
Датчики с подавлением переднего фона являются идеальным выбором для объектов с критичными поверхностями (прозрачные или зеркальные объекты), а также когда между объектами, движущимися по конвейерной ленте, имеются очень небольшие промежутки.
Среди достоинств этого типа фотоэлектрических датчиков следует выделить: возможность обнаружения объектов, незначительно выступающих по высоте на конвейерной ленте, обнаружение объектов с неровной и неоднородной поверхностью, обнаружение небольших объектов с очень высокой точностью, специализация для работы в упаковочной промышленности. К недостаткам можно отнести возможность появления проблем при неправильной настройке конвейера, дороговизна этого типа датчиков по сравнению с фотоэлектрическими датчиками с отражением от рефлектора, а также небольшой ассортимент датчиков с подавлением переднего фона.
Рис. 6. Принцип работы фотоэлектрического датчика с оптоволоконным кабелем
В отдельную группу по своим конструктивным особенностям можно выделить фотоэлектрические датчики с оптоволоконным кабелем. В этом случае электрическая часть датчика находится в доступном и безопасном месте, а приемник и передатчик датчика вынесены непосредственно в зону детектирования. Они передают световой сигнал к усилителю по оптоволоконному кабелю. В этих типах датчиков также существуют все методы обнаружения (отражение от объекта, на основе пересечения луча и т.д.).
Фотодатчики с оптоволокном незаменимы при решении задач обнаружения в труднодоступных местах и зонах с тяжелыми условиями окружающей среды. Этот тип датчиков может применяться при ударных воздействиях, вибрации, высокой температуре и сильных магнитных полях в зоне измерения, а также при проблемах с пространством для установки датчика. Принцип работы датчика с оптоволокном показан на рисунке 7.
Следует заметить, что один усилительный блок работает с множеством оптических кабелей, различающихся и по методу обнаружения и по конструктивным особенностям, так что пользователю не требуется менять весь датчик при изменении задачи управления.
Достаточно ответственной задачей является правильный выбор оптоволоконного кабеля. Существует два типа оптоволокна: пластиковое (диаметр 10. 70 мкм) и стеклянное (0,5. 1,5 мм). Преимуществами пластикового кабеля являются невысокая цена и нечувствительность к вибрациям и ударам, способность кабеля к значи¬тельному изгибанию. Недостатками являются нестойкость к некоторым химическим веществам, возможность накопления статического заряда и узкий рабочий диапазон температур: -40. 70°С. Что касается стеклянного оптоволокна, то из достоинств можно отметить значительную длину кабеля (до 10 м), возможность работы при высоких температурах, низкий вес, возможность реализации взрывозащиты, нечувствительность к ударам. Слабые стороны – это высокая цена и определенные проблемы при работе в запыленных помещениях.
ЛИТЕРАТУРА
1. Статья подготовлена по материалам статей Олега Лысенко, к.т.н., инженер по продажам, ООО «ЗИК»
1. Оптические (фотоэлектрические) датчики
Различают аналоговые и дискретные оптические датчики. У аналоговых датчиков выходной сигнал изменяется пропорционально внешней освещенности. Основная область применения – автоматизированные системы управления освещением.
Датчики дискретного типа изменяют выходное состояние на противоположное при достижении заданного значения освещенности.
Фотоэлектрические датчики могут быть применены практически во всех отраслях промышленности. Датчики дискретного действия используются как своеобразные бесконтактные выключатели для подсчета, обнаружения, позиционирования и других задач на любой технологической линии.
Оптический бесконтактный датчик, регистрирует изменение светового потока в контролируемой области, связанное с изменением положения в пространстве каких-либо движущихся частей механизмов и машин, отсутствия или присутствия объектов. Благодаря большим расстояниям срабатывания оптические бесконтактные датчики нашли широкое применение в промышленности и не только.
Оптический бесконтактный датчик состоит из двух функциональных узлов, приемника и излучателя. Данные узлы могут быть выполнены как в одном корпусе, так и в различных корпусах.
По методу обнаружения объекта фотоэлектрические датчики подразделяются на 4 группы:
1) пересечение луча – в этом методе передатчик и приемник разделены по разным корпусам, что позволяет устанавливать их напротив друг друга на рабочем расстоянии. Принцип работы основан на том, что передатчик постоянно посылает световой луч, который принимает приемник. Если световой сигнал датчика прекращается, в следствии перекрытия сторонним объектом, приемник немедленно реагирует меняя состояние выхода.
2) отражение от рефлектора – в этом методе приемник и передатчик датчика находятся в одном корпусе. Напротив датчика устанавливается рефлектор (отражатель). Датчики с рефлектором устроены так, что благодаря поляризационному фильтру они воспринимают отражение только от рефлектора. Это рефлекторы, которые работают по принципу двойного отражения. Выбор подходящего рефлектора определяется требуемым расстоянием и монтажными возможностями.
Посылаемый передатчиком световой сигнал отражаясь от рефлектора попадает в приемник датчика. Если световой сигнал прекращается, приемник немедленно реагирует, меняя состояние выхода.
3) отражение от объекта – в этом методе приемник и передатчик датчика находятся в одном корпусе. Во время рабочего состояния датчика все объекты, попадающие в его рабочую зону, становятся своеобразными рефлекторами. Как только световой луч отразившись от объекта попадает на приемник датчика, тот немедленно реагирует, меняя состояние выхода.
4) фиксированное отражение от объекта -принцип действия датчика такой же как и у “отражение от объекта” но более чутко реагирующий на отклонение от настройки на объект. Например, возможно детектирование вздутой пробки на бутылке с кефиром, неполное наполнение вакуумной упаковки с продуктами и т.д[7].
По своему назначению фотодатчики делятся на две основные группы: датчики общего применения и специальные датчики. К специальным, относятся типы датчиков, предназначенные для решения более узкого круга задач. К примеру, обнаружение цветной метки на объекте, обнаружение контрастной границы, наличие этикетки на прозрачной упаковке и т.д.
Задача датчика обнаружить объект на расстоянии. Это расстояние варьируется в пределах 0,3мм-50м, в зависимости от выбранного типа датчика и метода обнаружения.
Фотоэлектрические датчики отличаются своими техническими характеристиками и назначением, но принцип действия этих приборов один и тот же: датчик излучает свет, а фотоприемник воспринимает отраженные от объекта лучи света.
Крупнейшие производители сенсорной техники выпускают фотоэлектрические датчики с отражением от объекта или рефлектора, с пересечением луча, с волоконно-оптическим кабелем, а также с подавлением переднего и заднего фона. Использование микропроцессоров позволило наделить фотоэлектрические датчики совершенно новыми функциями, например, программируемостью и адаптивностью.
Фотоэлектрические датчики находят применение в упаковочном оборудовании, системах автоматического открытия-закрытия дверей, в робототехнике, на сборочных конвейерах и автоматизированных технологических процессах.
Фотоэлектрические датчики используются во многих отраслях промышленности для обеспечения точного обнаружения объектов без физического контакта.
В большинстве основных форм фотоэлектрический датчик может рассматриваться как устройство типа концевого переключателя, в котором функцию механического привода или плеча рычага выполняет луч или свет. Фотоэлектрические датчики работают, обнаруживая изменения в интенсивности света, который либо отражается, либо задерживается обнаруживаемым объектом (мишенью). Изменения в интенсивности света могут быть результатом присутствия или отсутствия мишени или результатом изменения размера, формы, коэффициента отражения или цвета мишени.
Фотоэлектрический датчик может быть использован для обнаружения мишеней на расстояниях от меньших, чем 5 мм (0,2 in) до больших 250 м (820 ft). Успешное обнаружение с помощью фотоэлектрического датчика требует, чтобы обнаруживаемый объект (мишень) вызывал значительное изменение уровня интенсивности света, принимаемого датчиком, и, чтобы пользователь имел ясное понимание требований обнаружения.
Существует огромное количество фотоэлектрических датчиков, которые можно выбрать. Каждый предлагает уникальную комбинацию производительности обнаружения, выходных характеристик и монтажных средств. Многие датчики предлагают также уникальную встроенную логику и сетевые возможности.
Фотоэлектрические датчики можно использовать практически во всех отраслях промышленности в качестве своеобразных бесконтактных выключателей для подсчета, обнаружения, позиционирования и других задач на любой технологической линии. Большое распространение фотодатчики получили не только в производственной области, но и в бытовом хозяйстве. Таким образом, они находят свое применение везде, где требуется автоматическое управление.
Компания SICK AG начинала свою деятельность с фотоэлектрических датчиков и в настоящее время является мировым лидером в данной области. В ассортименте выпускаемых изделий следует выделить следующие классы:
• фотоэлектрические датчики с отражением от объекта (proximity photoelectric switches);
• фотоэлектрические датчики с отражением от рефлектора (reflex photoelectric switches);
• фотоэлектрические датчики на основе пересечения луча (through-beam photoelectric switches);
• фотоэлектрические датчики с подавлением переднего фона (proximity photoelectric switches with fore-ground suppression);
• фотоэлектрические датчики с подавлением заднего фона (proximity photoelectric switches with background suppression);
• фотоэлектрические датчики с оптоволоконным кабелем (fiber-optic photoelectric switches).
На рынке достаточно много фирм, которые выпускают подобного вида изделия. На первый взгляд, изделия одной фирмы незначительно отличаются от продукции другой. Однако современные фотоэлектрические датчики представляют собой сложные устройства. В них инженеры воплотили современные технологии и последние достижения науки. Например, датчики фирмы SICK AG всегда отличаются высокой надежностью и высококачественной немецкой оптикой. Что касается последних разработок в этой области, то фирма SICK воплотила их в третьем поколении фотоэлектрических датчиков Connect 3. Среди отличительных свойств данных датчиков следует отметить:
• самое лучшее на данный момент подавление рассеянного света от различных источников освещения;
• электронное подавление нежелательных отражений луча от зеркальных объектов; • нечувствительность к сильным электромагнитным излучениям;
• рабочий диапазон температур от -40 до 60°С;
• высокую надежность работы даже при сильных перепадах температуры;
• высокую степень защиты IP67, химически стойкий корпус;
нечувствительность к вибрациям и ударам;
• полностью электронное измерение дистанции (отсутствие поворотных линз); • очень тонкий световой пучок (позволяет отслеживать сверхмалые объекты); • сверхточное подавление заднего фона;
• обнаружение проблемных объектов: прозрачных и с высокой отражательной способностью; светлых и темных; на близком и большом расстоянии;
• высокую частоту работы, очень быстрое время отклика;
• возможность установки в очень тесных пространствах и проведения настройки через шину.
Остановимся на классе фотоэлектрических датчиков, которые работают по принципу отражения от объекта (рис. 1). Это наиболее недорогие фотоэлектрические датчики, чувствительность которых изменяется с помощью потенциометра[5].
Фотоэлектрические датчики: назначение и устройство. Принцип работы фотоэлектрических датчиков
В сферах промышленности активно используются такие специализированные устройства как фотоэлектрические датчики, которые позволяют совершать наиболее точное обнаружение поступающего объекта без необходимости физического контакта. Они применяются при установке различного оборудования, а также бывают разных типов и отличаются принципом действия. Можно выбрать подходящее устройство по его свойствам, а также, учитывая ситуацию, в которой будет применяться подобный датчик.
Использование различных фотоэффектов
Во время своей работы https://techtrends.ru/catalog/fotoelektricheskie-datchiki/” target=”_blank”>фотоэлектрические датчики используют три возможных фотоэффекта, которые зависят от того, как изменяются свойства предмета при наличии изменений в уровне освещения.
- Эффекты бывают внешними, когда под воздействием получаемой световой энергии электроны вылетают из катода лампы.
- Внутренние эффекты отличаются тем, что сопротивление полупроводника зависит от уровня освещенности.
- Вентильный эффект появляется, когда возникает движущая сила, которая зависит от освещения.
Виды устройств
Можно встретить фотоэлектрические датчики аналогового или дискретного вида.
- У аналоговых выходной сигнал может меняться пропорционально имеющемуся уровню освещения. Обычно такие устройства применяют при создании элементов освещения, управляемых автоматически.
- Дискретные устройства изменяют значение на диаметрально противоположный показатель при достижении определенного уровня освещенности. Они могут выполнять всевозможные задачи на действующей технологической линии и широко используются в промышленности.
Оптический бесконтактный прибор регулирует изменение поступающего светового потока в рабочей области и может срабатывать на большом расстоянии, реагируя на изменение объектов, их отсутствие или присутствие. Конструкция этого прибора имеет две части, которые отвечают за правильное функционирование – это приемник и излучатель. Они могут находиться как в одном подходящем корпусе, так и в разных.
Группы устройств
В зависимости от используемого метода работы, фотоэлектрические датчики принято делить на четыре группы:
- Работающие по принципу пересечения луча. В этом случае излучатель и работающий с ним в паре приемник имеют два отдельных корпуса, поскольку этого требует технология работы. Два прибора устанавливаются друг напротив друга, а при взаимодействии излучатель посылает луч, который воспринимается приемником. Если какой-либо объект пересекает этот луч, то прибор тут же посылает соответствующий сигнал.
- Датчики с принципом отражения от рефлектора. Подобные приборы характеризуются тем, что у них излучатель и приемник располагаются в одном корпусе. Помимо этого агрегата, также используется специальный рефлектор, который устанавливается напротив прибора. Во время работы устройство посылает луч, он отражается от рефлектора и воспринимается приемником. Специальный поляризационный фильтр позволяет настроить работу оборудования так, чтобы устройство воспринимало только отражение от рефлектора и ничего лишнего. Рефлекторы бывают разными, поэтому их выбирают, исходя из имеющейся ситуации – дальности расстояния и особенностей монтажа. Если во время работы луч перестает отражаться и поступать к приемнику, значит, на линии появился какой-то объект, и сигнал об этом устройство передает дальше.
- Приборы с отражением света от объекта. У этих агрегатов приемник и сопутствующий ему излучатель также располагается в одном корпусе. В этом случае работа строится так, что рефлектор не нужен, поскольку его роль выполняют различные объекты – луч отражается от них, попадает в приемник, и датчик посылает нужный сигнал.
- Датчики с фиксированным отражением. По сути, это усовершенствованный вариант предыдущего варианта оборудования. Приборы работают по такому же принципу, но они более чутко улавливают и определяют состояние объекта. Например, при помощи подобных датчиков можно обнаружить вздувшуюся упаковку на линии или пакет, наполненный не до конца.
Также датчики могут делиться не только по принципу работы, но и по своему назначению. Существуют приборы общего назначения и специализированные. Вторые предназначены для выполнения более узких задач и решения конкретных вопросов. Например, они могут распознавать наличие этикетки, контрастной границы и других подобных элементов. Все датчики выполняют задачу обнаружения каких-либо объектов на расстоянии, и в зависимости от особенностей элемента, это расстояние может значительно варьироваться.
Характеристики датчиков
Обычно производители сопровождают свои устройства специальными техническими паспортами, в которых с точностью прописываются все необходимые характеристики, помогающие правильно выбрать датчик. Это весьма удобно, поскольку покупателю не нужно производить какие-то точные расчеты, чтобы подобрать подходящий прибор, а достаточно только соотнести его параметры с особенностями места установки и конкретной ситуацией, в которой будет применяться устройство.
- Практическая способность обнаружения является главной характеристикой для таких элементов, поскольку это означает, в каких условиях датчик сможет выполнять свою работу, также на этот показатель влияет заполнение угла зрения, оно может быть полным или неполным.
- Дальность действия – еще один важный параметр, он означает, на каком расстоянии прибор сможет действовать. Поскольку у всех датчиков оно может быть разным, встречаются варианты, которые работают на расстоянии нескольких сантиметров или устройства, рассчитанные на дальность в метрах.
- Ширина луча визирования также играет важную роль, поскольку от нее напрямую зависит разрешение датчика и то, с какими объектами он может работать.
- Время реакции также имеет значение при работе, здесь учитывается, с какой скоростью датчик будет обрабатывать объекты, а также его время включения и выключения. Необходимо, чтобы устройство успевало охватить все поступающие предметы, успевая за их движением по линии.
- Напряжение питания учитывается при выборе, поскольку внедрение датчиков в систему не должно оказывать серьезного влияния на ее работоспособность, если устройства слишком мощные, то следует заменить их вариантами, которые потребляют меньше энергии, чтобы они могли эффективно работать и выполнять свои функции, не нарушая общую деятельность линии производства.
- Также при выборе стоит учесть углы наведения датчика, особенности его присоединения и монтажа, габариты и вес, уровень защищенности – все это тоже имеет значение при работе устройства.
Выбирая фотодатчик, лучше обратить внимание на известных производителей, которые уже заслужили определенную репутацию на рынке. Нужно, чтобы устройство было максимально безопасным и обладало простым в управлении интерфейсом – это позволит сделать работу с ним комфортной и удобной. Также корпус датчика должен быть хорошо защищен от попадания пыли и влаги – это продлит срок его службы. Присоединительное место у него должно быть стандартным, чтобы не возникло проблем с монтажом.
фотоэлектрическое считывающее устройство
Фотоэлектрические датчики. Фотодатчики. Устройство, типы и виды фотодатчиков.
Фотоэлектрические датчики (фотодатчики)
используются в автоматике для преобразования в электрический сигнал различных неэлектрических величин: механических перемещений, скорости размеров движущихся деталей, температуры, освещенности, прозрачности жидкой или газовой среды и т. д.
По принципу кодирования информации фотодатчики можно разделить на две группы: с амплитудной модуляцией светового потока и с временной или частотной модуляцией. У датчиков с амплитудной модуляцией значение фототока пропорционально световому потоку, зависящему от управляемой (контролируемой) неэлектрической величины. У датчиков с временной или частотной модуляцией фототок изменяется дискретно за счет полного или частичного прерывания светового потока от воздействия неэлектрической величины. Информация об управляемом (контролируемом) параметре кодируется в этих датчиках в виде числа, частоты или длительности импульсов фототока.
в общем случае состоит из фотоэлектрического чувствительного элемента (фотоэлемента) источника света и оптической системы. В некоторых случаях фотодатчики используют световое излучение объекта управления (контроля) и не содержат источника света (датчики астрономического компаса, температуры, освещенности и др.). Некоторые датчики с целью упрощения конструкции могут не содержать оптической системы.
В большинстве фотодатчиков преобразование входной неэлектрической величины в электрический сигнал осуществляется в два этапа: сначала происходит ее преобразование в изменение одного из параметров светового потока (силы света, освещенности, спектрального состава и т. п.), а затем это изменение преобразуется фотоэлементом в электрическую величину (фототок, падение напряжения, фото-ЭДС и т. д.).
Все фотодатчики по характеру формирования воздействия светового потока на фотоэлемент можно разделить на несколько видов.
1. Фотодатчики, у которых световой поток изменяется за счет перемещения объекта управления (контроля) или изменения размеров объекта
(рис. 2-7). В этих датчиках источник света 1 и оптическая система (конденсор) 2 формируют параллельный и равномерный световой поток Ф.. В этом световом потоке помещается деталь З, размеры которой нужно контролировать, или заслонка 4, связанная механически с ОУ и перекрывающая часть светового потока. При изменении размера детали d или при перемещении заслонки х изменяется количество света (лучистой энергии), попадающего на фотоэлемент 5. Для повышения чувствительности световой поток Ф1, содержащий информацию о размерах детали (или о перемещении объекта), собирается оптической системой 6 и фокусируется на светочувствительную поверхность фотоэлемента. По такому принципу работают датчики фотоэлектрических микрометров, датчики длины, площади, деформаций и т. д. На этом принципе основана работа и дискретных фотодатчиков, таких, как фотоэлектрические датчики (преобразователи) «угол — код», датчики частоты вращения, фотосчитывающие датчики с перфолент, перфокарт, фотодатчики конца магнитной ленты, датчики размеров петли магнитной ленты, находящейся в кармане лентопротяжного механизма ЗУ на магнитной ленте, и т. д.
2. Фотодатчики, у которых световой поток попадает на фото элемент после отражения от объекта управления (контроля)
(рис. 2-8). В этих фотодатчиках источник света 1 и оптическая система 2 формируют узкий световой луч, который после отражения от объекта З попадает через собирающую и фокусирующую оптическую систему 4 на фотоэлемент 5. Количество отраженного света, попадающего на фотоэлемент, зависит от отражательной способности поверхности объекта (чистоты обработки, блесткости, наличия участков, покрытых краской, и т. п.). Такие фотодатчики используются в читающих автоматах, способных автоматически считывать и кодировать информацию с текстовых и графических документов, в измерителях чистоты поверхности, фотоэлектрических рефлектометрах, гигрометрах и пр.
3. Фотодатчики, у которых световой поток создается объектом управления (контроля)
(рис.2-9). В этих фотодатчиках световой поток, излучаемый ОУ, содержит информацию об управляемом (контролируемом) параметре объекта 1. Оптическая система 2 собирает и фокусирует световой поток на светочувствительную поверхность фотоэлемента З. Подобные фотодатчики используются в фотоэлектрических измерителях температуры, дозиметрах лучистой энергии, приборах для эмиссионного спектрального анализа.
В качестве чувствительных элементов в фотодатчиках используются фотоэлементы с внешним, вентильным и внутренним фотоэффектом.
Фотоэлементы с внешним фотоэффектом
Это вакуумные и газонаполненные фотоэлементы, фотоумножители обладают высокой линейностью световой характеристики (зависимость фототока от светового потока), высокой температурной стабильностью характеристик. Однако они имеют и ряд существенных недостатков, ограничивающих их применение в устройствах автоматического управления и контроля: необходимость в повышенном напряжении питания (сотни и тысячи вольт); хрупкость стеклянного баллона и возможность деформации электродов при механических воздействиях; старение и утомляемость фотоэлементов (снижение чувствительности при сильной освещенности).
Вентильные фотоэлементы
Они отличаются Высокой надежностью и долговечностью не нуждаются в источнике питания, имеют малую массу и габариты. Недостатками их являются: сильное влияние окружающей температуры; утомляемость и высокая инерционность, ограничивающая применение при частоте прерывания светового потока в несколько десятков герц.
Фотодиоды
и
фототриоды
широко применяются в фотодатчиках различного типа. Они имеют линейную световую характеристику, высокую чувствительность, малую инерционность (частота прерывания светового потока может быть до нескольких килогерц), малые габариты. В зависимости от схемы включения различают вентильный и фотодиодный (фототриодный) режимы работы фотодиодов и фототриодов.
В вентильном режиме
фотодиод является генератором фото тока и не нуждается в источнике питания. Фототриод в вентильном режиме можно рассматривать как комбинированный электронный прибор — фотодиод (
п-р
-переход цепи база — эмиттер) и собственно триод, усиливающий фототок, который возникает в цепи база — эмиттер под действием светового потока. База фототриода в этом режиме замыкается накоротко с эмиттером. В вентильном режиме фотодиоды и фототриоды используются в фотодатчиках с пропорциональной световой характеристикой (измерение размеров, перемещений, температуры и т. д.).
В фотодиодном режиме
к фотодиоду нужно приложить в обратном запирающем направлении внешнее напряжение. У фототриодов в фототриодном режиме в цепь базы подается напряжение смещения от внешнего источника. Фотодиодный (фототриодный) режим включения фотодиодов (фототриодов) используется в основном в фотодатчиках с дискретной световой характеристикой (фотосчитывающие устройства с перфолент, перфокарт, фотоэлектрические преобразователи «угол—код», читающие автоматы и т. д.). В фотодиодном (фототриодном) режиме фотодиоды и фототриоды имеют большую чувствительность, чем в вентильном (выходным сигналом в этом режиме является напряжение).
Фоторезисторы
наряду с фотодиодами и фототриодами находят широкое применение, причем в основном в фотодатчиках с дискретной световой характеристикой. Достоинством фоторезисторов является высокая чувствительность, стабильность параметров, большая надежность и долговечность, возможность работы, как на постоянном, так и на переменном токе, малые габариты. К их недостаткам следует отнести большую инерционность, сильное влияние окружающей температуры, нелинейность световой характеристики, большой разброс параметров у фоторезисторов одной партии.
В качестве источников световой энергии в некоторых фотодатчиках используется сам ОУ (при измерении температуры, освещенности и т.п.). Большинство же фотодатчиков
нуждается в искусственном источнике светового потока. Наибольшее распространение в качестве такого источника в фотодатчиках получили недорогие и простые в эксплуатации
лампы накаливания. С целью повышения их надежности и долговечности рабочее
напряжение снижают на 20—З0 % по сравнению с номинальным.
Для работы в инфракрасной области спектра применяют специальные излучатели в виде штифтов из жаропрочных полупроводниковых материалов. Менее распространены в фотодатчиках газоразрядные лампы. Они имеют высокую светоотдачу и потребляют при этом в 2—З раза меньше энергии, чем лампы накаливания. Однако номенклатура этих ламп ограничена, габариты их больше, чем ламп накаливания.
Оптические системы фотодатчиков служат для перераспределения в пространстве потока лучистой энергии с целью повышения эффективности воздействия объектов управления (контроля) на параметры лучистого потока. Функции оптических систем фотодатчиков весьма разнообразны и требуют применения самых различных линз, зеркал, призм, диафрагм, дифракционных решеток, светофильтров и т. д.
С целью повышения помехоустойчивости в некоторых фотодатчиках размещается предварительный усилитель выходного сигнала фотоэлемента. Для этой цели в настоящее время в основном используют микроэлектронные операционные усилители.
В целом, оценивая фотодатчики
, следует отметить их большую универсальность, отсутствие обратного воздействия на объект управления (контроля) — бесконтактность. Недостатками фотодатчиков являются чувствительность к вибрациям, ударам, плохая работа в запыленной, загазованной и влажной среде, помехи от осветительных приборов общего освещения.
Фотоэлектрическое устройство
138391 Класс 42 Ь, 17 вг ссср ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯАВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУдппсная группа Л 3 17 К, Полевицкий и Н, Г. Волдыре ТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВОявлено 16 марта 1955 г, за Ло 0868%76885/2 Опубликовано в Б)оллетее изобретеншЬ ЛЪО за 196 Существующие фотоэлектрические устройства, служащие для сравения величины двух модулированных световых потоков, имеют малу.о очность и громоздкую конструкцию.Предлагаемое фотоэлектрическое устройство с двумя фотоэлементами повышает точность работы при удаленном расположении измерительного элемента от исследуемой среды тем, что в нем применено смесительное сопротивление, на которое поступают фотоэлектрические сигналы от обоих фотоэлементов, и потенциометр, обеспечивающий фотометрическое равновесие путем приведения напряжения основной гармоники на смесительном сопротивлении к нулю.Описываемое фотоэлектрическое устройство может быть применено для измерения коэффициента пропускания света водой и атмосферой, а также для измерения поглощения и отражения света толщей воды,На фиг. 1 представлена схема предлагаемого фотоэлектрического устройства при измерении коэффициента пропускания света водой.Лампа накаливания 1 посылает в воду в направлении фотоэлемента 2 параллельный лучок света, который формируется системой линз 3 — 1 и диафрагмой б, Второй пучок света лампа 1 посылает в направлен )н зеркала б, которое отражает его на фотоэлемент 7. Оба пуч-, ка света модулируются диском 8, приводимым в движение двигателем 9 псстоянного тока с центробежным регулятором скорости. На оси двигателя 9 насажен механический демодулятор 10. Настройка фазы осуществляется поворотом фотоэлемента 7 вместе с зеркалом б вокруг оси двигателя, Поле зрения фотоэлемента 2 определяется линзой П и диафрагмой 12. Сигналы от фотоэлементов 2 и 7 выводятся с помощью экранированного герметического кабеля из погруженной в воду части прибора и подаются на выходные цепи узкополосного электронного усилителя, где сигнал от фотоэлемента 7 автоматически ослабляется измерительным потенциометром в заданное число раз.На фиг. 2 дана схема устройства для измерения коэффициента поглошения света водой. н тЬ 138391Лампа 13 посылает в воду широкий расходящийся пучок света, восрииймаемый фотоэлементом 14, который может перемещаться вдоль учка света. Фотоэлемент 14 закрыт молочным стеклом и реагирует на змспение его освещенности. Второй пучок света от того ке источника осыластся в направлении фотоэлемента 15, помещенного в корооке 16.)ба пучка модулируются модулятором 17 цилиндрической формы, расолокенным на оси двигателя постоянного тока, Для настройки фазы редчсмотрена возможность поворота фотоэлемента 15 вокруг осн двига.еля.Сигналы от фотоэлементов по экранированному герметическому каелю подаются на входные цепи упомянутого усилителя, где происходит х уравнение. При этом сигнал с одного из фотоэлементов ослабляется отенциометром, Измерение состоит в получении отсчетов по потенциоетру при двух различных заранее заданных расстояниях х, которые иксируются упорами 18 по направляющим 19. Прибор позволяет проодить измерения коэффициента поглощения света водой в любое время уток, независимо от естественной освсшенности.На фиг. 3 дана электрическая схема устройства.Описываемое фотоэлектрическое устройство с двумя фотоэлементами предназначено для сравнения величин двух световых потоков. Сравиваемые световые потоки Р, и Р модулнруются вакуумными фотоэлементами 20 и 21, Сигнал от первого фотоэлемента воспроизводится кагодным повторителем 22 на измерительном потенциометре 23, часть коорого соответствующая положению движка 24 потенциометра 23, потупает на левую сетку 25 триода 26. На правую сетку 27 триода 2 б по. :тупает сигнал от фотоэлемента 21. На смесительном сопротивлении 28 происходит наложение токов от обоих сигналов,Основная гармоника результирующего сигнала, возникшего на сопротивлении 28, усиливается узкополосным усилителем 29 и выпрямля.тся механическим или электрическим демодулятором 30. Напряжение : демодулятора через усилитель мощности (на схеме не, показан) питает двигатель 31 постоянного тока, который перемещает движок 24 измерительного потенциометра 23 до наступления фотометрического равновесия на смесительном сопротивлении 28. Одновременно электродвигатель 31 перемещает перо самописца для регистрации измеренных величин (на схеме не показан).Предмет изобретенияФотоэлектрическое устройство с двумя фотоэлементами для сравнения величин двух модулированных световых потоков, прошедших сквозь исследуемую среду, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью получения высокой точности работы при удаленном расположении измерительного элемента устройства от исследуемой среды, оно выполнено с применением смесительного сопротивления, на которое поступают фотоэлектрические сигналы от обоих фотоэлементов, и потенциометра, приводящего к нулю на смесительном сопротивлении напряжение основной гармоники, чем достигают фотометрическое равновесие.Формат бум. Тираж 700 о делам те Минист ч. 17 Х 11.61 г Подл. Зак. б обретений и открытийов СССР ТИ при Комитете и при Сове Москва, Центр,. Черкасскнн пер., д. пография ЦБТИ Комитета по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР, Москва, Петровка, 14.
Смотреть
Фотоэлектрические датчики положения – принцип работы и применение
Датчики — в системах автоматического регулирования — чувствительные элементы или устройства, воспринимающие величину контролируемого параметра объекта и выдающие сигнал на устройство сравнения этой величины с заданной величиной, при этом вырабатывается сигнал разности или рассогласования, который через другие устройства воздействует на объект регулирования.
Область применимости фотоэлектрических датчиков положения охватывает широкий промышленный спектр. Датчики данного типа помогают решать задачи, связанные с управлением технологическими процессами производства, где необходимо осуществлять обнаружение, позиционирование или просто подсчет тех или иных объектов.
В силу своей универсальности, фотоэлектрические датчики находят сегодня самое обширное применение там, где необходима промышленная автоматизация. Они отличаются возможностью проводить бесконтактные измерения и подсчет объектов, и выводить соответствующую информацию в виде цифрового сигнала, который легко воспринимается и обрабатывается любым современным контроллером.
Цифровые выходы обычно содержат PNP или NPN-транзисторы либо просто реле. Питание осуществляется постоянным (или сетевым) напряжением от 10 вольт в пределах 240 вольт.
Принцип прерывания луча
Два корпуса — излучатель и приемник, составляют одно устройство. Они устанавливаются по разные стороны от места, где предполагается прохождение объекта. Приемник статично фиксируется напротив излучателя так, что непреломленный луч от излучателя всегда попадает в детектор приемника.
Рабочий диапазон (размеры фиксируемого объекта) практически неограничен, причем определяемые объекты могут быть как прозрачными, так и непрозрачными.
Если объект непрозрачный, то луч просто перекрывается, блокируется объектом. Если же объект прозрачный, – луч отклоняется или рассеивается так, что приемник его не видит, пока объект не покинет место его обнаружения. Так обеспечивается высокая надежность и точность работы фотоэлектрического датчика, основанного на принципе прерывания луча. Данные датчики способны работать на расстояниях между излучателем и приемником от нескольких сантиметров до десятков метров.
Принцип отражения луча от рефлектор
Датчик состоит из двух частей — излучателя и рефлектора. Приемник и излучатель находятся в одном корпусе, который неподвижно крепится с одной стороны исследуемого места, а с другой стороны устанавливается рефлектор (отражатель). Различные отражатели позволяют использовать датчики такого типа на разных расстояниях, кроме того чувствительность приемника может иногда регулироваться.
Данные датчики также подходят для обнаружения стекла и других хорошо отражающих поверхностей. Как и в случае с датчиками, работающими по принципу прерывания луча, датчики на основе рефлектора позволяют измерять габаритные размеры объектов или просто считать их.
Поскольку корпус здесь один, то прибор в целом требует меньше места для установки, иногда это является важным преимуществом, особенно для систем автоматизации требующих компактности. Данные датчики способны работать на расстояниях между корпусом и рефлектором от нескольких сантиметров до нескольких метров.
Принцип отражения луча от объекта
Все устройство представляет собой одиночный корпус, содержащий излучатель и приемник, способный реагировать даже на рассеянный отраженный от объекта луч. Модели датчиков данного типа имеют преимущественно небольшую стоимость, занимают меньше всего места для установки, им не нужен рефлектор.
Достаточно статично закрепить датчик недалеко от исследуемой зоны, и настроить его чувствительность в соответствии с типом поверхности обнаруживаемого объекта. Датчики данного типа подходят для работы на небольших расстояниях до исследуемых объектов, порядка нескольких десятков сантиметров, например с продуктами, движущимися на конвейерной ленте.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Фотоэлектрические датчики
Фотоэлектрические датчики применяются в закрытых помещениях для автоматизации различных видов технологических процессов в промышленности и на производстве, а также для выполнения широкого перечня других задач. Основной функцией устройства является бесконтактное получение информации о состоянии находящегося перед ним объекта: определение соответствия заданным параметрам скорости его перемещения, размеров, степени прозрачности и других данных. Полученные при помощи отраженного светового пучка данные преобразуются в электрический сигнал, который поступает на контроллер. В зависимости от принципа кодирования светового сигнала, примененного в конкретной модели датчика (амплитудной, временной или частотной модуляции), требуемый параметр отображается в виде частоты, продолжительности или количества световых импульсов.
Особенности конструкции
Основными элементами конструкции любого фотоэлектрического датчика являются:
- Излучатель (источник светового луча). В качестве этого элемента применяют светодиод – полупроводник, излучающий свет с определенной длиной волн или цветом при прохождении через него электрического тока. Применяются инфракрасные светодиоды, позволяющие отслеживать направление луча, создающие больше света и выделяющие меньше тепла по сравнению с другими типами, а также желтые, синие и красные, оптимальные для применения в ситуациях, когда необходимо отслеживать цвет или оттенок наблюдаемого объекта. Конструкция излучателей отличается прочностью, устойчивостью к механическим повреждениям и позволяет выполнять работы в широком температурном диапазоне окружающей среды.
- Приемник светового сигнала (фотодетектор). Фототранзистор или фотодиод чувствительный к длине волн света и его интенсивности. В зависимости от типа получаемых воздействий изменяет параметры проходящего через него тока.
- Линза – предназначена для ограничения области принимаемого света, а также увеличения расстояния обнаружения исследуемого объекта.
- Выходное устройство с дискретным или аналоговым выходом, осуществляющее переключение в пользовательской цепи. Применяются несколько типов таких устройств (электромеханическое реле, полевой транзистор, симистор и другие), каждое из которых имеет свои преимущества, недостатки и, соответственно, сферу применения.
Особенности конструкции определяются сферой применения и требованиями к прибору. Так, датчики, предназначенные для определения температуры или освещенности (например, датчики, управляющие автоматическим включением и отключением осветительных приборов), могут не оснащаться световым излучателем, а некоторые упрощенные модели не имеют линз.
В большинство датчиков для обеспечения искусственного светового потока применяются лампы накаливания, с целью обеспечения более долгого срока службы работающие на напряжении 70-80% от номинального. В качестве альтернативы допускается применение более экономичных и эффективных газоразрядных ламп, однако, в силу больших габаритов и меньшего ассортимента применение такого источника света не настолько популярно.
Для предотвращения искажения сигнала в результате воздействия помех в некоторых моделях устройств размещается микроэлектронный операционный усилитель выходного сигнала.
Основные разновидности фотодатчиков
В зависимости от способа передачи воздействия светового луча на фотодетектор фотодатчики подразделяют на несколько видов.
- Фотоэлектрические датчики, воспринимающие изменение характеристик светового потока при передвижении исследуемого объекта, а также при изменении его формы или размеров. Конструкция таких устройств предусматривает создание параллельного и равномерного светового излучения при помощи излучателя и линзы. Исследуемый объект или связанная с ним механическим способом заслонка размещаются в световом потоке. В случае изменения размера или месторасположения наблюдаемого элемента, а также при изменении положения заслонки изменяется количество света, попадающего на приемник светового сигнала (фотодетектор). Для получения более точных данных о происходящих изменениях перед попаданием на фотодетектор световой поток предварительно проходит через оптическую систему. Такой тип устройств оптимален при необходимости выполнения работ связанных с измерением геометрических параметров наблюдаемого объекта (длины, ширины, площади, высоты), а также частоты вращения детали и при считывании информации с перфолент или перфокарт.
- Фотоэлектрические датчики, работающие по принципу анализа изменений отраженного от наблюдаемого объекта светового луча. Сформированный светодиодом луч, проходя через оптическую систему, сужается и попадает на поверхность объекта. Отраженный свет проходит через фокусирующую линзу и поступает на приемник светового сигнала. Количество поступившего света зависит от особенностей поверхности исследуемого объекта: качества и вида обработки, отражающей способности, наличия защитных или декоративных покрытий и других факторов. Такие устройства применяются для определения особенностей поверхности объекта, а также считывания и шифрования графической информации (текстов, изображений) с бумажных и других носителей.
- Фотодатчики, принимающие световой поток, создаваемый самим исследуемым объектом. Излучаемый поток света фокусируется линзой и поступает на датчик. Применяются для определения характеристик излучения, создаваемого контрольно-измерительными приборами (оптико-электронными измерителями температуры, атомно-эмиссионными спектральными анализаторами и другими).
Виды фотоэлементов и принцип их работы
- Фотоэлементы с внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) преобразовывают энергию светового излучения в электрический сигнал при помощи вакуумных или наполненных газом стеклянных колб с напылением на части внутренней поверхности тонкого металлического слоя, выполняющего функцию катода и предназначенного для получения электрического тока малой мощности. В роли анода выступает размещенная внутри колбы проволочная петля или металлический диск, предназначенный для улавливания фотоэлектронов. К катоду и аноду подключается внешний источник электрического тока. При воздействии излучения на катод часть электронов получает дополнительную энергию, после чего они попадают в вакуумную среду колбы и, благодаря возникшему в результате подключения к электродам источника питания электрическому полю, направляются к аноду. Величина возникающего фототока прямо пропорциональна силе светового потока. К недостаткам таких устройств относится невысокая прочность стеклянной колбы, вероятность повреждения электродов и снижение чувствительности фотоэлементов при длительной эксплуатации.
- Вентильные фотоэлементы (с запорным слоем) состоят из нижнего металлического электрода, электронных и запирающего слоев, а также верхнего полупрозрачного металлического электрода. Все элементы помещены в пластиковый корпус с отверстием, пропускающим световой поток. При прохождении светового потока и попадании его на фотослой проводник и полупроводник приобретают разноименные заряды. Основными преимуществами таких элементов является устойчивость к механическим повреждениям, высокая чувствительность и отсутствие потребности в источнике питания. К недостаткам относится инерционность, чувствительность к температуре окружающей среды и относительно невысокий срок службы.
- Фотодиоды – полупроводниковые диоды, способные изменять свои свойства под воздействием светового потока. При отсутствии воздействия света диод обладает стандартными характеристиками. В зависимости от схемы расположения в электрической цепи фотодиод может выполнять различные функции. При работе в вентильном режиме потребность в дополнительном источнике питания отсутствует, а сам диод совмещает функции фотодиода и триода, являясь усилителем фототока, возникающего под воздействием светового излучения. Такой режим применяется для выполнения измерений размеров исследуемого объекта, его перемещений и температуры. Для работы в фотодиодном режиме требуется применение внешнего источника питания, при этом диод приобретает большую чувствительность, что делает возможным его применение для считывания информации с перфокарт, перфолент и других носителей.
- Фоторезисторы – при воздействии светового потока на фотоэлемент возрастает их проводимость и увеличивается сила тока в цепи. Такие элементы компактны, прочны, высокочувствительны, а также могут работать и на переменном, и на постоянном токе. В то же время они достаточно инерционны и подвержены температурным воздействиям.
Возможные ограничения и область применения
В процессе монтажа, настройки и эксплуатации датчиков следует придерживаться ряда требований и рекомендаций:
- Обеспечить защиту места установки датчика от воздействия лучей ярких источников света, а также люминесцентных ламп.
- Во избежание возникновения помех использовать кабель минимально возможной для конкретных условий установки длины.
- При установке учитывать, что расстояние срабатывания датчика зависит от материала, формы поверхности и габаритов объекта.
- В процессе монтажа датчиков соблюдать необходимое расстояние от поверхности установки, исключающее возможность отражение света от поверхности.
- Избегать прокладки кабеля датчика в одном канале с высоковольтным кабелем.
- Очищать оптический элемент сухой тканью, не применяя щелочей и кислот.
Помимо промышленного производства фотоэлектрические датчики применяют и для выполнения широкого перечня других задач:
- Управления производственным оборудованием и станками.
- В качестве одного из основных элементов пропускной системы метрополитена.
- Контроля площади лекал и других заготовок сложной геометрической формы.
- В процессе плазменной резки металла для считывания заданной программы с перфокарты.
- При выполнении ряда процессов в типографии – подсчет листов, контроль правильности резки и укладки, а также управление работой станка.
Также фотоэлектрические датчики используются в современных наукоемких отраслях (робототехнике и других).
Основные характеристики фотоэлектрических датчиков
При выборе устройства для конкретных целей и условий эксплуатации следует руководствоваться прилагаемой производителем документацией, в которой указаны все необходимые характеристики прибора:
- Практическая способность обнаружения наблюдаемых объектов – одна из основных характеристик, определяющая условия, в которых устройство сможет полноценно выполнять свои функции.
- Максимальное и минимальное расстояние до объекта. В зависимости от характеристик конкретной модели этот показатель может составлять от 5 мм до 250 м. Подбирается в зависимости от специфики применения.
- Ширина луча, влияющая на разрешение датчика и определяющая параметры объектов контроля.
- Время реагирования, скорость включения, выключения и обработки объекта. Особенно такой параметр важен при использовании датчиков на конвейерных линиях с большой скоростью движения и количеством обрабатываемых объектов.
- Энергопотребление датчиков. Работа устройств не должна оказывать чрезмерной нагрузки на систему электроснабжения и влиять на работу другого применяемого на предприятии оборудования.
Также стоит обратить внимание на размеры и вес устройств (подойдут ли они для эксплуатации в конкретных условиях или потребуют выполнения дополнительных работ при установке), сложность монтажа, требования к температурному режиму и влажности в помещении и другие факторы.
Фотоэлектрический датчик
Фотоэлектрические датчики – это бесконтактные датчики, которые используют видимый или инфракрасный свет для обнаружения объектов. Они излучают световые лучи и наблюдают за лучом на предмет любых прерываний или изменений, чтобы обнаружить присутствие любого постороннего объекта в пределах светового пути.
Эта статья призвана дать вам общее представление о различных типах фотоэлектрических датчиков и методах их работы.
Что такое фотоэлектрический датчик?
Фотоэлектрический датчик – это оптический датчик, который состоит из источника света, светоприемника и схемы вывода сигналов и управления. Они могут обнаруживать присутствие объектов, а иногда и состояние поверхности.
Когда излучаемый свет прерывается объектом в непосредственной близости, светоприемник обнаруживает это изменение и включает или выключает выход датчика. Некоторые датчики приближения могут даже определять расстояние до объекта.
Принцип действия фотоэлектрических датчиков
Работа фотоэлектрических датчиков основана на основных свойствах света: интенсивность, направление распространения, частота и поляризация . Они могут использовать одну или несколько из этих концепций для обнаружения и измерения расстояния до объектов.
Свойства света
Прямолинейное распространение
Свет – это электромагнитная волна . Одно из физических свойств электромагнитных волн – прямолинейное распространение. Он описывает тенденцию света двигаться по прямой линии. При перемещении через однородную среду (материал, который имеет одинаковые свойства в каждой точке), например, в воздухе, световые волны не изгибаются, поэтому они движутся по прямым линиям.
Датчики, такие как фотоэлектрические датчики на пересечение луча используйте это свойство света, чтобы обнаруживать объекты, которые пересекают луч, блокируя его.
Преломление
Другое свойство света состоит в том, что он меняет направление (отклоняется), когда проходит через границу раздела двух сред. Например, когда свет проходит через воздух и попадает в воду, прямой луч отклоняется. Это связано с изменением показатель преломления в двух средах. На рисунке ниже показано, как свет преломляется при прохождении через среду воздух-стекло-воздух.
Отражение – это свойство света, которое описывает явление, когда луч света попадает на объект или поверхность, такую как стекло или зеркало, и перенаправляет луч обратно к источнику. Отражение описывает, что угол падения равен углу отражения, что заставляет световой луч перемещаться по тому же точному пути в противоположном направлении после отражения.
Ретроотражение – это улучшенная версия отражения, в которой используется «угловой куб». Угловые кубики состоят из трех перпендикулярных друг другу плоских зеркал. Это отражение также известно как «световозвращение».
Хотя отражающие поверхности почти полностью отражают направленный на них свет, некоторые материалы, такие как белая бумага, могут отражать свет во всех направлениях. Это называется «рассеяние» или «диффузия».
поляризация
Как мы уже упоминали, свет – это электромагнитная волна. Электромагнитные волны также можно рассматривать как колеблющиеся волны как по горизонтали, так и по вертикали. В настоящее время в большинстве фотоэлектрических датчиков в качестве источников света используются светодиоды. Свет, излучаемый светодиодами, имеет как горизонтальные, так и вертикальные компоненты, известные как «неполяризованный» свет.
Мы можем использовать специальные фильтры, называемые «поляризационными фильтрами», чтобы отфильтровать один из этих компонентов, чтобы луч имел только горизонтальные или вертикальные колебательные компоненты. Затем световой луч становится «поляризованным».
Поляризация обычно используется для предотвращения внешних помех, поскольку датчик не будет реагировать практически на любой световой луч, а только на специально отфильтрованный луч.
Источники света
Оптические / фотоэлектрические датчики поставляются с двумя типами источников света: импульсно-модулированный свет и немодулированный свет.
Модулированные источники света
Этот метод, также известный как импульсно-модулированный свет, использует непрерывно пульсирующий луч света для обнаружения объектов. Излучаемый свет (светодиод) многократно включается и выключается через фиксированный интервал времени. Этот метод очень полезен в датчиках, где внешние световые помехи могут быть проблемой. Поскольку датчик чувствителен только к определенной частоте излучаемого света, внешние источники света не могут мешать датчику и случайно запускать его.
Датчики с модулированными источниками света также имеют больший диапазон, чем датчики с немодулированными источниками света.
Немодулированный источник света
Самый простой немодулированный свет – это непрерывно включенный луч определенной интенсивности. Они быстрее модулируемых световых датчиков, но подвержены внешним помехам.
Триангуляция
В датчиках с настраиваемым расстоянием мы можем обнаруживать смещение объекта с помощью метода, называемого «триангуляция». Эти датчики имеют специальный чувствительный элемент, который может определять, где именно световой луч падает на датчик. Например, если объект находится в позиции A, показанной на рисунке ниже, световой луч упадет в позицию «a» на датчике положения. Если объект перемещается дальше по направлению к точке B, луч света также будет сконцентрирован в точке «b» на датчике.
Классификация фотоэлектрических датчиков
Мы можем классифицировать фотоэлектрические датчики по трем основным критериям: метод измерения, точки выбора по методу измерения и конфигурации.
Классификация методом зондирования
- Датчики пересечения луча
- В датчиках сквозного луча есть два устройства: излучатель и приемник. Они установлены друг против друга. Излучатель излучает световой луч, который падает на датчик с другой стороны. Когда объект попадает в зону прямой видимости датчика, он прерывает луч, и датчик интерпретирует отсутствие света как обнаружение объекта.
-
- Сквозные лучевые датчики могут иметь диапазон срабатывания от нескольких сантиметров до нескольких десятков метров. Они могут обнаружить практически любой непрозрачный материал независимо от формы, цвета и блеска.
- Датчики диффузного отражения
- Датчики диффузного отражения имеют все необходимое оборудование в одном корпусе. Во время нормальной работы излучатель излучает свет и никогда не возвращается обратно к датчику. Когда объект попадает в луч, он отражает часть света обратно на датчик. Датчик отслеживает количество отраженного света, и если оно превышает фиксированное значение, срабатывает выход.
-
- Диффузные датчики легче монтировать, поскольку имеется только одно устройство и не требует особой калибровки / регулировки. Они могут обнаруживать объекты от нескольких сантиметров до нескольких метров.
- Цвет и текстура обнаруженных объектов могут повлиять на работу и стабильность датчиков диффузного режима.
- Датчики на отражение от рефлектора
- Датчики на отражение от рефлектора также представляют собой датчики с одним устройством, которые излучают и обнаруживают отраженный свет. Специальный отражатель, называемый ретрорефлектором, отражает излучаемый свет.
- Когда объект прерывает световой луч, интенсивность отраженного луча становится ниже, и датчик может обнаружить это изменение и включить / выключить выход.
- Световозвращающие датчики также имеют расстояние срабатывания от нескольких сантиметров до нескольких метров. Они могут обнаруживать как прозрачные, так и непрозрачные материалы. Благодаря специальным дополнениям, таким как поляризационные фильтры, они могут обнаруживать даже зеркальные поверхности.
- Датчики с обратным отражением имеют мертвую зону на близком расстоянии, что может быть недостатком в некоторых приложениях.
- Датчики светового луча с настраиваемым расстоянием могут обнаруживать относительное движение обнаруженного объекта. У них есть датчик положения, который может определять, где на датчике концентрируется полученный свет. Некоторые датчики имеют фотодиод из двух частей, где один может определять, когда объект находится рядом с датчиком, а другой обнаруживает, когда объект находится далеко от него, путем вычисления разницы в интенсивностях света, заданных двумя фотодиодами.
-
- На работу датчика с настраиваемым расстоянием не сильно влияет фон или условия объекта, такие как цвет или состояние поверхности.
- Датчики с ограниченным отражением
- Датчики с ограниченным отражением похожи на датчики с регулируемым расстоянием, но их диапазон оптически более ограничен. Они могут обнаруживать объекты только на определенном расстоянии (в зоне перекрытия излучаемого света и пути приема).
-
- Датчики с ограниченным отражением могут обнаруживать небольшие изменения высоты объектов, поэтому подходят для приложений контроля качества. Подобно типу с настраиваемым расстоянием, на работу датчика не сильно влияет фон или условия объекта, такие как цвет или состояние поверхности.
Точки отбора по методу зондирования
При выборе фотоэлектрического датчика для конкретного применения необходимо учитывать несколько моментов.
При выборе сквозной луч и светоотражающей датчиков, примите во внимание следующие моменты:
Обнаружение объекта
- Размер и форма (длина x ширина x высота)
- Прозрачность (непрозрачная, полупрозрачная или прозрачная)
- Расстояние срабатывания
- Ограничения по размеру и форме (датчик и любые отражатели)
- Необходима установка бок о бок
- Количество единиц
- Монтажный шаг
- Необходимость установки в шахматном порядке
- Угол
- Clearance
Окружающая среда
- Температура окружающей среды, влажность
- Наличие брызг воды, химикатов и масла.
Если приложению требуется диффузно-отражающий, настраиваемый датчик или датчик с ограниченным расстоянием , проверьте характеристики;
Обнаружение объекта
- Размер и форма (длина x ширина x высота)
- Цвет
- Материал (сталь, дерево, бумага, нержавеющая сталь и т. Д.)
- Обработка поверхности (глокси, текстурированная и т. Д.)
- Скорость движения
- Расстояние срабатывания
- Ограничения по размеру и форме (датчик и любые отражатели)
- Необходима установка бок о бок
- Количество единиц
- Монтажный шаг
- Необходимость установки в шахматном порядке
- Угол
- Clearance
Окружающая среда
- Температура окружающей среды, влажность
- Наличие брызг воды, химикатов и масла.
Классификация по конфигурации
Фотоэлектрические датчики также можно разделить на категории в зависимости от их физической конфигурации. Они состоят из четырех основных частей: излучателя, приемника, усилителя и контроллера.
Датчики с отдельными усилителями
Датчики, такие как фотоэлектрические датчики на пересечение луча, часто имеют схему усилителя как отдельный блок. Для проходного типа излучатель и приемник также размещаются в разных корпусах. Отражающие датчики имеют интегрированные излучатель и приемник, а также отдельный блок усилителя.
Такое расположение может быть полезно, когда датчики должны быть установлены в ограниченном пространстве и будет нелегко получить доступ для регулировки их чувствительности. Однако, поскольку усилитель установлен вдали от датчиков, сигнал также подвержен электрическому шуму.
Встроенные датчики усилителя
Этот тип состоит из всех четырех основных компонентов датчика, включая блок усилителя. Большинство датчиков сквозного луча со встроенными усилителями имеют приемник, усилитель и контроллер, встроенные в приемник, а излучатель остается как отдельный блок. Для включения им требуется только внешнее питание.
Датчики со встроенным усилителем требуют относительно меньшего количества проводки, чем датчики без усилителей. Таким образом, вероятность воздействия электрических помех на них снижается, поскольку в них нет сигнальных проводов.
Датчики со встроенными блоками питания
Этот тип фотоэлектрических датчиков может напрямую управлять нагрузкой большой мощности, такой как двигатели или лампочки. Они имеют собственную встроенную схему питания и могут быть напрямую подключены к коммерческим источникам питания. (нет необходимости в отдельных блоках питания).
Однако они также намного больше с точки зрения занимаемой площади, поскольку должны содержать всю силовую электронику и схему источника питания в дополнение к эмиттеру, приемнику, усилителю и схеме контроллера.
Датчики площади
Датчики площади представляют собой модифицированную версию датчиков сквозного луча, которые могут обнаруживать объекты с использованием нескольких лучей. Они полезны при обнаружении объектов, которые могут иметь разную высоту ориентации, например мелких деталей.
Особенности фотоэлектрического датчика
Самая полезная особенность фотоэлектрических датчиков заключается в том, что они могут обнаруживать любой объект без какого-либо контакта. В отличие от датчиков, таких как концевые выключатели, они обнаруживают присутствие объекта с помощью света. У них также нет ограничений на то, что может быть обнаружено; Правый фотоэлектрический датчик обнаружит любой объект в пределах своих ограничений.
Фотоэлектрические датчики также очень быстрые и имеют очень высокое разрешение для точных приложений. У них также самый высокий диапазон чувствительности – более 10 метров по сравнению с магнитными и ультразвуковыми аналогами.
Выравнивание, калибровка и регулировка фотоэлектрических датчиков также очень проста, поскольку луч света виден невооруженным глазом (только для моделей, излучающих видимый свет).
Регулировка чувствительности фотоэлектрического датчика
Регулировать чувствительность фотоэлектрических датчиков очень просто. Некоторые датчики состоят из специальной кнопки, называемой «обучение», а другие оснащены потенциометром, который можно поворачивать с помощью отвертки. Типичный фотоэлектрический датчик имеет два светодиода: зеленый для индикации мощности и оранжевый для индикации текущего состояния выхода.
Чтобы отрегулировать чувствительность типа потенциометра, полностью поверните потенциометр против часовой стрелки, когда нет никаких предметов. Затем поместите объект перед датчиком и поверните потенциометр по часовой стрелке, пока не загорится оранжевый светодиод.
Где используются фотоэлектрические датчики?
Фотоэлектрические датчики используются во многих приложениях для бесконтактного обнаружения объектов. Они включают,
- Проверка и подсчет предметов, движущихся по конвейерной линии
- Обнаружение цветов
- Измерение расстояний
- Измерение смещения
- Определение приближения (наличие / отсутствие объекта)
В чем разница между датчиками приближения и фотоэлектрическими датчиками?
Датчики приближения обычно используют электромагнитные или емкостные поля для обнаружения объектов. Фотоэлектрические датчики используют световые лучи для обнаружения объектов. Есть датчики приближения, которые используют световые лучи для обнаружения.
Фотоэлектрические датчики работают очень быстро по сравнению с датчиками приближения, поскольку они используют световые лучи для обнаружения объектов. Это потому, что свет движется с очень высокой скоростью. Датчикам приближения может потребоваться до нескольких миллисекунд для правильного обнаружения объекта.
Датчики приближения относительно дешевле, чем их фотоэлектрические аналоги. Это связано с относительно простой конструкцией датчиков приближения. Но датчики приближения обычно больше фотоэлектрических датчиков.
Фотоэлектрические датчики сложнее датчиков приближения, но они также имеют очень высокое разрешение и точность. Фотоэлектрические датчики также легче настроить, чем датчики приближения, для которых иногда требуется дополнительный калибровочный материал.
Каковы четыре основные части фотоэлектрического датчика?
Фотоэлектрический датчик состоит из четырех основных ступеней:
Источник света
Это секция, которая обрабатывает излучение света. Современные фотоэлектрические датчики основаны на светодиодах (светоизлучающих диодах), которые могут иметь инфракрасный (ИК) или видимый свет, например красный, зеленый или синий цвет. Большинство датчиков используют метод импульсной модуляции для отправки пакета непрерывных импульсов, чтобы уменьшить внешние помехи, вызванные аналогичными источниками света.
Светоприемник
Схема приемника принимает отраженный / испускаемый свет от источника света и преобразует его в электрический сигнал.
Главная цепь
Основная схема выполняет все функции высокого уровня, такие как импульсная модуляция для излучателя и преобразование сигнала для приемника. Он также имеет синхронный детектор и усилительный каскад для обнаружения наличия / отсутствия или изменения принятого сигнала.
Выходная цепь
Схема вывода управляет окончательным выходным сигналом. Доступны все типы выходных цепей, включая выходы NPN / PNP и релейные выходы. Некоторые датчики могут выводить аналоговые сигналы, а некоторые могут даже напрямую управлять значительной нагрузкой, а не только сигналом.
Как настроить фотоэлектрический датчик?
Фотоэлектрические датчики доступны с несколькими типами выходов, включая транзисторный выход, такой как PNP или NPN, и релейный выход. На рисунке ниже показана проводка эмиттерного блока для датчика сквозного луча. Подача 0В на розовый провод включит эмиттер.
Приемник показанного ниже датчика сквозного луча имеет выходы типа NPN. На черном выходе остается высокое напряжение (12 В или 24 В в зависимости от источника питания). Когда объект обнаружен, он подключается к 0 В, в результате чего ток течет через подключенную нагрузку. Для взаимодействия с датчиками типа NPN в ПЛК должна быть карта ввода типа PNP.
Заключение
В этой статье мы обсудили общую работу фотоэлектрических датчиков, технологию, лежащую в основе их работы, и типы датчиков, которые доступны в отрасли. Фотоэлектрические датчики – это высокоточные и прецизионные датчики, которые используются в высокоточных машинах и в других приложениях для обнаружения объектов.
