Оптические датчики — распространённые типы измерителей, использующиеся в промышленности и охранном бизнесе для определения параметров объекта, который попал в зону действия. Оборудование характеризуют надежностью, наивысшим уровнем точности и разделяют на сколько видов.
Определение оптического датчика
Оптический датчик — небольшое по размеру электронное устройство, работающее со световым излучением разного диапазона. Простыми словами — это устройство, реагирующее на свет и улавливающее объекты, которые его пересекают. Принцип работы оборудования можно понять из названия. Поскольку в датчиках применяется оптика, значит, используется световое излучение разных диапазонов. Следовательно, при обнаружении светового потока (или его прерывании), на главный компьютер предается закодированный сигнал с соответствующей информацией.
Если перевести название прибора с английского языка, то получим «фотодатчик» или «световой датчик», что также указывает на принцип его работы.
Самым распространённым оптическим устройством является датчик освещенности, который будет реагировать на свет, а точнее — его отсутствие. Он начинает работать, как только наступают сумерки. Основное назначение — включать лампочку в тёмное время суток. Такое оборудование применяется повсеместно.
Фотодатчиков в современные дни придумано огромное количество. И это многообразие стоит классифицировать, но для начала следует разобраться с устройством и принципом их работы.
Принцип работы оптического датчика
Оптический датчик положения активируется при определенных условиях, заданных производителем. Поэтому «активация» — ключевое слово, используемое для определения принципы работы устройства. Активация срабатывает, когда падающий на датчик свет, имеет достаточную интенсивность.
Принцип работы оптического датчика: когда луч проходит через датчик беспрепятственно, он будет активирован. Но, при его прерывании каким-то барьером, устройство перестает работать и передаст сигнал на центральный компьютер, с которого оператор узнает о необходимой ему информации.
Изучая принцип работы оптического датчика, нельзя полагать, что активность — это замкнутые контакты, и напряжение на выходе присутствует. В различных устройствах могут отличаться принципы работы выходного элемента и схемы обнаружения световых потоков. Все зависит от конкретного типа устройства и его применения.
Особенности устранения помех
Любой оптический датчик положения представляет собой бесконтактный прибор, которому не нужен для работы механический контакт с определенным объектом. Но, активное состояние может сбиться из-за различных помех.
Чтобы избежать этой неисправности, производители используют световые потоки необычного спектра, к примеру, лазерный луч. Такой источник довольно прост в изготовлении – излучение фокусируется в тонкий луч обычно красного цвета. Преимущество использования технологии — излучение передаётся в видимой части диапазона. А потому не составит труда настроить прибор для конкретной зоны действия.
Это современное оборудование, но прежде можно было найти датчики иного вида, которые в качестве определителя использовали лампочку накаливания на 6 В и небольшую линзу. Прибор активно использовали в восьмидесятых годах. Современные датчики намного эффективнее и могут работать только в своём участке спектра, а потому можно избежать плохой видимости и помех.
Несмотря на использование более продвинутых технологий, оптический датчик всегда нужно держать в чистом состоянии, поскольку грязь и пыль могут вызвать преждевременное срабатывание.
Режимы датчика
Большинство современных датчиков оснащают двумя режимами:
Это означает, что при включении режима устройство будет срабатывать при определённых условиях – включаться в тёмное время суток или, наоборот, при попадании солнца. К примеру, если установить режим Dark On, то датчик будет деактивирован, когда на него падают лучи солнечного света. В режиме Light On, датчик начнет включаться при засвечивании.
В магазинах Москвы и области также можно найти оборудование со встроенным таймером, где выходной сигнал будет появляться в определенное время, после активации.
Устройство
Оптические датчики состоят из приемника и источника излучения. Это основные компоненты, которые включают в себя еще ряд частей. Источник может быть установлен в одном корпусе или разных.
Источник или излучатель состоит из 6 частей:
- Корпус, куда помещают все детали. Он служит в качестве защиты от различных видов повреждений. Для изготовления используют латунь или полиамид и метизы.
- Генератор предназначен для образования электрических импульсов, которые переходят на излучатель.
- Излучатель — это небольшой светодиодный механизм, с помощью которого создаётся излучением в нужном диапазоне света.
- Система оптики направляет луч в нужном направлении.
- Индикатор показывает готовность прибора к работе.
Приемник оптического датчика состоит из 7 компонентов:
- Оптика для приема луча и направления его к преобразователю.
- Преобразователь служит для трансформации полученного излучения в электрический сигнал.
- Усилитель предназначен для увеличения получаемого сигнала до предельного значения, в котором работает аппарат.
- Пороговый элемент — регулятор крутизны фронта сигнала переключения.
- Электронный ключ — коммутация тока и защита от коротких замыканий и перегрузок.
- Индикатор цвета показывает заданные характеристики прибора.
- Регулятор чувствительности нужен для настройки датчика.
Цветовой индикатор показывает несколько состояний прибора:
- Если сигнал отсутствует, то индикатор не горит.
- Если сигнал поступает на необходимом уровне и прибор активируется, то индикатор загорается зеленым.
- Когда уровень сигнала продолжает расти, индикатор становится жёлтым, но может перейти на красный цвет.
Выбирая подходящий датчик для конкретных условий, можно столкнуться всего с двумя типами конструкции, если не рассматривать приборы специального назначения, к примеру, щелевые. В остальных случаях бывают варианты с цилиндрическим или прямоугольным корпусом. И это единственное различие в конструкции.
Разновидности оптического датчика
В современных условиях, оптические датчики выполняют довольно широкий спектр задач на промышленном предприятии. Для покупки необходимого оборудования нужно заранее узнать обо всех типах аппаратуры и условиях, в которых устройство будет установлено.
В зависимости от принципа работы оборудования, специалисты выделяют 3 разновидности прибора:
- Барьерные.
- Диффузные.
- Рефлекторные.
У каждого типа есть свои особенности, о которых нужно узнать подробнее, чтобы подобрать подходящий вариант.
Барьерный тип оптического датчика
Официальное название этого вида — барьерный. Но это определение довольно странное, поскольку для активации всех датчиков некий барьер должен пройти чрез луч.
Принцип работы построен на прямом луче и двух отдельных частях (приемник и излучатель), которые должны располагаться максимальный соосно друг напротив друга. Только так луч точно попадет на приёмник. Когда между частями оборудования появляется какой-то объект, то датчик будет сигнализировать об этом.
Как только луч соприкасается с объектом, выключатель срабатывает. Отличительная особенность устройства — работать оно может на расстоянии десятки метров между приемником и передатчиком. Специалисты уверяют, что этот тип оборудования имеет хорошую помехозащищенность, а потому работе не будут мешать капли жидкости или пыль.
Разумеется, у барьерного прибора есть и недостатки:
- Чтобы подключить оборудование на значительном расстоянии друг от друга, придется совершать довольно трудоемкий процесс с соединением проводов питания.
- Процесс монтажа сильно усложняется, поскольку обязательно условие — полная соосность двух частей барьерного датчика.
- Если в зону действия прибора попадает хорошо отражающий предмет, то это спровоцирует ложное срабатывание оборудования.
- Если барьер имеет прозрачную структуру, то он не ослабит луч, а потому датчик не сработает. Это необходимо учитывать при монтаже.
Чтобы устранить последние два недостатка, необходимо скорректировать регулятор чувствительности. Разумеется, для обнаружения предмета в зоне действия, он не должен быть меньше диаметра луча.
Специалисты полагают, что барьерный тип — самый надёжный вид устройства. Это обусловлено возможностью использования устройства на больших расстояниях, а также помехоустойчивостью. В других устройствах приёмник и передатчик находится в одном корпусе, что не позволяет использовать их на больших расстояниях.
Устройство с раздельным передатчиком и приемником позволяет устанавливать оборудование на расстоянии 10 метров друг от друга. В этом случае передатчик будет стоять в одном месте, где к нему подводят питание. Он производит только функцию излучения, а все остальные задачи от него отводят. При этом оборудование не нужно настраивать.
Приёмник же установлен на определенной дистанции — именно там проводят регулировки чувствительности, а также настраивают другие параметры.
Важный нюанс: приёмник и излучатель должны быть из одного комплекта. Дело в том, что детали, выпущенные разными фирмами, не сочетаются друг с другом и работать не будут.
Именно барьерный тип устройства наиболее распространен в охранных системах и практически не используется на предприятиях, поскольку там нет необходимости в расстоянии, которое могут поддерживать устройства для связи.
Диффузный вид
Принцип работы прибора — зеркальное отображение. В этом случае передатчик и приемник помещается в один корпус. Излучатель падает поток света на определенный объект, луч падает на его поверхность и переходит в разные направления, в зависимости от особенностей оптической системы. Луч частично возвращается назад к приемнику, тем самым включая прибор.
Проблема диффузного датчика — отражающие объекты, которые не попадают в рабочую область установки. Чтобы устранить помеху, необходимо использовать выключатели с подавлением фона.
Дальность действия — самая маленькая из всех приборов оптического вида, она составляет всего полметра. Это компенсируют важной особенностью — если правильно настроить оборудование, то оно детектирует появление объекта в рабочей зоне. По мере приближения датчик сработает, как пороговый элемент.
Особенности настройки
Чтобы выбрать подходящее расстояние, с которого датчик начнёт действовать при приближении объекта, нужно взять простой лист бумаги и проверить условия активации.
Параметры регулировки:
- Размер листа 10 на 10 см — расстояние до 40 см.
- Размер 20 на 20 см — свыше 40 см.
Подобную операцию также проводят с листом горячечеканной стали — выбор метода зависит от предприятия, куда ставят датчик. Для боле точной настройки используют специальную таблицу, где указаны отражающие свойства материалов. На основе полученных данных добавляют поправочный коэффициент.
Пример: значение датчика — 100 мм, но необходимо установить его на объект из нержавеющей стали. В этой ситуации, поправочный коэффициент будет равен 7.5. А расстояние правильного срабатывания увеличится на 7.5 раз — 750 мм.
Рефлекторный тип
Оборудование включается при отражении луча от рефлектора — отсюда и название прибора. После луч переходит на приёмник и датчик срабатывает. Как только объект покинет рабочую зону, оборудование включиться ещё раз.
Предельная длина действия прибора — 10 м. В теории оборудование сможет работать и на большем расстоянии, но стабильность обеспечить куда сложнее — датчик перестанет работать при малейшем смещении луча из-за вибрации или при попадании пыли.
Оборудование можно использовать для полупрозрачных объектов. Приемник и передатчик находятся в едином корпусе. Датчик часто используют для установки на ленту конвейера, чтобы устройство работало в единой системе с другим оборудованием — изделие пришло на положенное место (датчик сигнализирует об этом), ушло дальше (рефлектор подал еще один сигнал).
Специфические оптические датчики
Были рассмотрены три вида стандартных оптических датчиков, но в продаже можно найти и более специфические варианты, к примеру, — световая решетка. Это две пластины, располагающиеся на определенном расстоянии друг от друга.
С одной стороны установлены фотодиоды, на обратной пластине — светодиоды. Используя перекрытие этой пары, можно с определенной погрешностью вычислить геометрические данные объекта — ширину или высоту. Решётку подключают к контроллеру, который передает данные в центральный компьютер.
Световой барьер
Это ещё один тип специфического датчика, что устанавливают для безопасности конкретного объекта, чтобы не допустить до помещения людей. Система довольно сложна в монтаже, поскольку состоит помимо основных частей еще из двух рефлекторных датчиков и отдельного контроллера.
Лазерная система
Датчик оптического типа, позволяющий не только диагностировать о появлении объектов в зоне действия, но и измерять расстояние между ним.
Принцип действия устройства — измерение времени прохождения через луч. Такая же система используется в радиолокации.
Оптоволоконный датчик
Принцип работы заключается в том, что электронные схемы и элементы оптики разнесены в пространстве, а свет передается через оптоволокно. Обычно используются пластиковые фиберы.
Подобные оборудование устанавливают на объектах, где нужная зона сильно узкая или наблюдается сложная среда для работы — повышенный риск повреждения, постоянная влажность, сильная вибрация.
Аналоговый тип
Это оптические датчики выходного сигнала. Принцип работы очень напоминает лазерный тип, поскольку нужные показатели измеряются в зависимости от интенсивности отраженного сигнала.
Датчик контроля пламени
Оптический датчик часто используют для измерения качества пламени в промышленных горелках. Питание происходит от искрозащищенного блока, который входит в комплект с основным оборудованием. Такое высокоточное устройство закупают для нефтегазовых промышленных предприятий.
Конструкция
Оптические датчики обычно очень компактные — для простоты установки. Для практического применения конструкторы оснащают оборудование выносными модулями. Конструкция приборов может отличаться в зависимости от выбранного места для установки.
Щелевые датчики
Это несколько оппозитно расположенных приёмников, установленных на одной платформе с излучателем. Корпус напоминает букву U. Щелевой приемник применяют для подсчета предметов, которые перемещаются по установленной зоне с высокой скоростью.
Конструкция крайне удобна для экономии пространства, поскольку прокладывать нужно только один питающий кабель.
Прямоугольные
Строение корпуса позволяет дополнительно комплектовать датчики системой охлаждения. Таким образом, оборудование можно ставить с объектами, которые сильно разогреваются.
Прямоугольная форма также обеспечивает надежную устойчивость прибора. Датчики оснащают высокоточной оптикой, что позволяет производить мгновенный пересчет объектов.
Цилиндрический корпус
Устройство внешне очень похоже на свечу зажигания. Устройство продают с дополнительными элементами — пластины для крепежа, уголки и зажимные блоки.
Как подключить оптический датчик
Любой оптический датчик соединяют с исполнительной автоматикой:
- программаторы;
- платы управления различных систем.
Схему подключения придётся выбирать в зависимости от типа выходного сигнала, который исходит от оборудования.
Общая классификация подключения оптического датчика:
- на сухой тип контактной группы применяют замкнутые или разомкнутые;
- соединение с питанием сигнализационной системы;
- подача питания на релейные датчики по отдельной линии.
Путаница возникает, поскольку не все мастера понимают разницу между нормально закрытым и открытым выходом датчика.
Чтобы разобраться с подключением, нужно понять три события:
- правильная интенсивность попадания света;
- включение индикатора, показывающего на активность прибора;
- переключение реле или транзистора — выходные элементы.
Приор не получится подключить правильно, если перепутать срабатывание и попадание света. А также, какие процессы в этот момент происходят — переключатель работает в определённом режиме (Dark/Light), а тип выхода — нормально открытый или нормально закрытый.
При НЗ-выходе индикатор может загореться, когда замыкается контакт, или же при активности датчика. Нельзя забывать, что эти события — неодинаковы. Все зависит от производителя.
Поэтому, для правильного подключения нужно внимательно ознакомиться с инструкцией и проверять теорию на практике.
Где применяют оптические датчики
Датчики оптического типа применяют для эффективного определения или наличия предметов, которые присутствует на каком-либо объекте. С помощью устройства специалисты контролируют расстояние и габариты, степень прозрачности, цвет конкретного объекта.
Обычно датчики ставят в системы автоматического управления освещением, охранные сигнализации или приборы на дистанционном управлении.
Простая конструкция оборудования обеспечивает высокую надежность, но при этом гарантирует точность любых измерений. Поскольку в датчиках используется кодированный световой сигнал, это увеличивает защиту от воздействия негативных факторов, а электроника сможет определить не только наличие нужного объекта на рабочей территории, но и учитывает его свойства — прозрачность или габариты.
Наибольшее распространение подобный тип датчиков получили в системах охранной сигнализации, где необходимо использовать высокочастотные системы распознавания движения. Независимо от выбранного вида приспособления, датчики — лучший вариант для системы управления автоматического оборудования.
Оптический датчик обладает не только высокой точностью, но и скоростью измерения с минимальным откликом на разрушение луча. Поскольку оптические датчики используют бесконтактный тип связи, это гарантирует продолжительный срок службы в любых производственных условиях.
Устройства также часто используют для подсчёта оборотов различных двигателей или уровня жидкостей. В этих ситуациях нужно в конкретную зону установить оптический датчик оборотов, вращения и оптический датчик уровня. Два вида устройств активно используют на промышленных предприятиях.
Уход за оптическим датчиком
Любая техника нуждается в должном уходе, иначе вскоре выйдет из строя. Поскольку в датчиках используется оптика, ее нужно регулярно протирать, словно объектив фотоаппарата. Важно использовать мягкую ткань, которая не оставит царапин и иных повреждений на детали. Обычно используют салфетки, смоченные водой. В жидкость по желанию можно добавить каплю любого средства для чистки (к примеру, для посуды) — это ускорит процесс, и оптика будет обработана намного тщательнее.
После влажной чистки, деталь следуют тщательно протереть сухой салфеткой, чтобы удалить остатки жидкости. В этом процессе главное — следить, чтобы абразив не попал внутрь датчика, иначе его не получится настроить для работы.
Что касается корпуса, то для правильной работы устройства достаточно знать, как проверять его на механическую целостность. При проверке состояния датчика нельзя забывать про важный нюанс — в качестве излучателя используется светодиод. У него есть определённый ресурс, который однажды закончится. Это значит, что светодиоды нужно периодически менять, чтобы оборудование работало в штатном режиме.
Оптический датчик — не самый сложный прибор, а потому его разборка и чистка некоторых элементов н займет больше 30 минут.
Неисправности, случающиеся в процессе эксплуатации
Любое оборудование рано или поздно выходит из строя. Оптический датчик ломается крайне редко, но если это произошло, нужно знать, чем вызваны неисправности:
- цепь питания может оборваться, возможны также и механические повреждения самого прибора или сенсора;
- компоненты внутри корпуса вышли из строя;
- проблемы с настройкой — для правильной работы, датчики нужно правильно откалибровать.
Если регулярно проводить сервисное обслуживание прибора и своевременно менять расходные части, можно добиться высокого срока эксплуатации оптического датчика. При правильном уходе, устройство служит не одно десятилетие.
Особенности проверки
Перед вводом в работу любое точное измерительное устройство проходит проверки. Для поверки оптического датчика используют специальные стенды. Они необходимы для проверки соосности. Если стенд показывает, что датчик установлен правильно, но необходимых для работы результатов нет, это означает, что внутренности устройства поврежден. Вероятная проблема — оптика.
Также можно использовать эмпирический способ — поставить оборудование на положенное место и проследить за его работой.
Заключение
Оптический датчик — компактный и надежный прибор, применимый практически на каждом промышленном предприятии. Но, для установки и правильной настройки устройства, нужен грамотный специалист, разбирающийся не только в типах приборов, но и особенностях подключения.
Видео по теме
Хорошая реклама
Определение
Оптические датчики — небольшие по размерам электронные устройства, способные под воздействием электромагнитного излучения в видимом, инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах подавать единичный или совокупность сигналов на вход регистрирующей или управляющей системы. Оптические датчики реагируют на непрозрачные и полупрозрачные предметы, водяной пар, дым, аэрозоли.
Оптические датчики являются разновидностью бесконтактных датчиков, так как механический контакт между чувствительной областью датчика (сенсором) и воздействующим объектом отсутствует. Данное свойство оптических датчиков обуславливает их широкое применение в автоматических системах управления. Дальность действия оптических датчиков намного больше, чем у других типов бесконтактных датчиков.
Оптические датчики называют ещё оптическими бесконтактными выключателями, фотодатчиками, фотоэлектрическими датчиками.
Строение оптических датчиков
излучатель оптического датчикаИзлучатель датчика состоит из:
- Корпус
- Излучатель
- Подстроечный элемент
- Генератор
- Индикатор
Приёмник датчика состоит из:
- Корпус
- Фотодиод
- Подстроечный элемент
- Электронный ключ
- Триггер
- Демодулятор
- Индикатор
Типы устройства и принцип действия оптических датчиков
По типу устройства оптические датчики делятся на моноблочные и двухблочные. В моноблочных излучатель и приёмник находятся в одном корпусе. У двухблочных датчиков источник излучения и приёмник оптического сигнала расположены в отдельных корпусах.
По принципу работы выделяют три группы оптических датчиков:
тип T — датчики барьерного типа (приём луча от отдельно стоящего излучателя)
тип R — датчики рефлекторного типа (приём луча, отражённого катафотом)
тип D — датчики диффузионного типа (приём луча, рассеянно отражённого объектом)
У датчиков барьерного типа излучатель и приёмник находятся в отдельных корпусах, которые устанавливаются друг напротив друга на одной оси. Дальность разнесения корпусов может достигать 100 метров. Предмет, попавший в активную зону оптического датчика, прерывает прохождение луча. Изменение фиксируется приёмником, появившийся сигнал после обработки подаётся на управляемое устройство.
Датчики рефлекторного типа содержат в одном корпусе и передатчик оптического сигнала, и его приёмник . Для отражения луча используется рефлектор (катафот). Датчики такого типа активно используются на конвейере для подсчёта количества продукции. Для обнаружения объектов с зеркальной, отражающей металлической поверхностью в датчиках рефлекторного типа используют поляризационный фильтр. Дальность действия датчиков рефлекторного типа может достигать 8 метров.
В датчиках диффузионного отражения источник оптического сигнала и его приёмник находятся в одном корпусе. Приёмник учитывает интенсивность луча, отражённого контролируемым объектом. Для точности срабатывания в датчиках данного типа может включаться функция подавления фона. Дальность действия зависит от отражательных свойств объекта, может быть определена с помощью поправочного коэффициента, и при использовании стандартной мишени может достигать 2 метров.
Оптические датчики имеют индикатор рабочего состояния и, как правило, регулятор чувствительности, который даёт возможность настроить срабатывание на объект, находящийся на неблагоприятном фоне.
Источником излучения в современных оптических датчиках являются светодиоды.
Схема подключения оптических датчиков
На выходе оптического датчика стоит транзистор PNP- или NPN-типа с открытым коллектором. Нагрузка подключается между выходом и, в зависимости от типа транзистора, общим минусовым или плюсовым проводом. Если в исходном состоянии нагрузка подключена, то выполняется функция размыкающего контакта и наоборот.
Сфера применения
Оптические датчики как составная часть автоматизированных систем управления широко применяются для определения наличия и количества предметов, присутствия на их поверхности наклеек, надписей, этикеток или меток, позиционирования и сортировки предметов. С помощью оптических датчиков можно контролировать расстояние, габариты, уровень, цвет и степень прозрачности. Их устанавливают в системы автоматического управления освещением, приборы дистанционного управления, используют в охранных системах.
См. также
Примечания
Литература
- Виглеб Г. Датчики. Устройство и применение. Москва. Издательство «Мир», 1989
- Катыс Г. П. Библиотека по автоматике, вып. 6. Оптические датчики температуры. «Госэнергоиздат», 1959
- Окоси Т. Волоконно-оптические датчики, 1990
Ссылки
Оптические бесконтактные датчики положения широко применяются для контроля положения и перемещения объектов или частей технологических установок. Принцип действия оптических датчиков положения основан на измерении степени ослабления оптического луча, прошедшего путь от излучателя до приемника, являющихся частями датчика. Для повышения помехозащищенности и снижения влияния внешних источников освещения в оптических датчиках положения обычно используется модулированное излучение -луч излучателя датчика пульсирует с частотой от 5 до 30 кГц. Излучатель датчика состоит из излучающего светодиода и питающего его генератора последовательности импульсов. В датчиках применяют светодиоды, которые испускают импульсы света в спектре от видимого зеленого света до невидимого инфракрасного излучения в зависимости от сферы применения датчика. Излучатель, кроме того, может иметь регулировки интенсивности излучения и индикатор работы. Приемник состоит из фотодетектора (фотодиода), демодулятора, порогового устройства (триггера) и выходных цепей (PNP или NPN транзистор с открытым коллектором, реле, аналоговый выход NAMUR, IO-link и др.). При необходимости приемник оснащается регулятором чувствительности и индикатором работы.
Оптические датчики положения относятся к фотоэлектрическим датчикам, так как принцип их действия основан на обнаружении световых сигналов. Когда луч света от датчика достигает объекта контроля возникают такие явления как передача света, отражение и поглощение света. То, какое явление преобладает в этом случае зависит от взаимного расположения излучателя и приемника, размеров объекта, его материала, толщины, цвета и шероховатости поверхности. В зависимости от того, на каком оптическом явлении основан принцип обнаружения объектов, оптические датчики положения делятся на три типа:
- тип T– датчики с приемом прямого луча от излучателя;
- тип R– рефлекторные датчики с приемом луча, возвращенного от отражателя;
- тип D– диффузионные датчики с приемом луча, рассеянно отраженного от объекта контроля.
Датчики Т-типа имеют так называемую разнесенную оптику – излучатель и приемник располагаются друг напротив друга на некотором расстоянии. При прохождении объекта между излучателем и приемником оптический луч прерывается и приемник датчика формирует выходной сигнал, сигнализируя о наличии объекта в зоне контроля. Датчики данного типа часто называют барьерными или датчиками с пересечения луча. Приемник и излучатель должны быть из одного комплекта от одного производителя.
Датчики Т-типа удобны для контроля непрозрачных или хорошо отражающих объектов, но могут давать неудовлетворительные результаты при обнаружении прозрачных объектов. Так как излучатель и приемник в датчиках данного типа конструктивно выполнены в разных корпусах, что позволяет установить максимальный коэффициент усиления, то их можно использовать в условиях высокой загрязненности рабочей среды. Максимальное расстояние между излучателем и приемником, так называемая зона срабатывания, может достигать 350 м.
Зона срабатывания оптических датчиков это диапазон допустимых расстояний от датчика до объекта контроля, на которых осуществляется его обнаружение. Зона срабатывания зависит от взаимного расположения излучателя и приемника, коэффициента усиления, принципов распределения светового луча и диаметра светового пятна, так как приемник датчика срабатывает только при попадании объекта в зону светового пятна. У оптических датчиков Т-типа отсутствует так называемая «слепая» зона, поэтому зона срабатывания равна расстоянию между излучателем и приемником. Размер эффективного светового луча датчика Т-типа равен диаметру линзы излучателя и приемника. Поэтому минимальный размер объекта контроля должен быть больше диаметра линзы датчика.
В датчиках R-типа приемник и излучатель расположены в одном корпусе. Датчики данного типа для своей работы требуют установки специального рефлектора-отражателя. У датчиков положения данного типа излучатель и приемник располагаются в одном корпусе и «смотрят» в одну сторону – в сторону установленного точно напротив датчика на определенном расстоянии специального отражателя. Луч от излучателя проходит двойное расстояние: от излучателя до отражателя и в обратную сторону – от отражателя до приемника. Если на пути луча возникает объект, приемник формирует выходной сигнал. Обратная логика работы датчика может быть реализована путем установки отражателя на объекте, перемещение которого контролируется датчиком. Датчики данного типа еще называют рефлекторными. Рефлекторы, которые еще называют отражателями, катафотами или мишенями, приобретаются отдельно от датчиков. Рефлекторы могут иметь различную форму и размеры. Диапазон измерений рефлекторных датчиков положения обычно указывается при использовании конкретной модели отражателя.
Зона срабатывания рефлекторных датчиков (расстояние от линзы излучателя до рефлектора) может достигать 55 м. Размеры контролируемого объекта должны быть больше размеров применяемого рефлектора.
Рефлекторные датчики могут нестабильно работать при обнаружении блестящих объектов, отражающих световой луч датчика от своей поверхности, из-за чего датчик не сможет определить от чего произошло отражение: от рефлектора или объекта. Для обнаружения хорошо отражающих предметов используют рефлекторные датчики с поляризационными фильтрами и специальными угловыми кубическими рефлекторами, изменяющими плоскость поляризации светового луча на 90°. Поляризационные фильтры размещаются перед линзой излучателя и приемника и пропускают только поляризованный в одной плоскости световой пучок. Излученный излучателем пучок света поляризуется в вертикальной плоскости. Световой луч, отраженный от рефлектора имеет измененную на 90° плоскость поляризации – луч становиться горизонтально поляризованным. Поэтому он без проблем проходит через горизонтальный поляризационный фильтр приемника. Если же луч отражается от блестящего объекта, то его вертикальная поляризация не меняется и он блокируется горизонтальным поляризационным фильтром приемника и датчик обнаруживает этот объект.
При работе с поляризованными рефлекторными датчиками положения не рекомендуется использовать в качестве рефлектора отражающие наклейки – необходимо использовать специальные угловые кубические рефлекторы.
Некоторые модели рефлекторных датчиков способны обнаруживать стеклянные предметы, так как очень чувствительны даже к небольшой разнице между излученным и принятым световым сигналом.
Датчики D-типа по конструкции и принципу действия схожи с датчиками R-типа, но отражателем в данном случае является сам контролируемый объект. Еще одним отличием от датчиков R-типа является то, что при отсутствии объекта оптический тракт оказывается разомкнутым – луч от излучателя попадает в приемник лишь при наличии объекта перед датчиком. Так как приемник датчика принимает рассеяно отраженный от объекта луч, то интенсивность этого луча сильно зависит от характеристик поверхности объекта и расстояния до объекта. Для разных материалов будут разные нормированные расстояния срабатывания. Для грубой корректировки расстояний срабатывания в зависимости от материала объекта нужно использовать корректирующие коэффициенты, указанные в руководстве по эксплуатации датчика, например:
- Матовая белая поверхность – 1,0;
- Серый ПВХ – 0,57;
- Белый пластик – 0,7;
- Черный пластик – 0,22;
- Матовый алюминий – 1,2;
- Полированная нержавеющая сталь – 2,3.
При выборе конкретной модели датчика D-типа особое внимание нужно уделить цвету и шероховатости поверхности объектов контроля. Если предполагается контролировать объекты темного цвета с шероховатой поверхностью необходимо выбирать датчики с возможностью регулировки чувствительности.
Разновидностью датчиков D-типа являются датчики с подавлением переднего фона, заднего фона и переднего и заднего фона одновременно. Датчики с подавлением фона предназначены для обнаружения предметов на строго определенном расстоянии. Оптические датчики с подавлением фона применяются, например, для обнаружение тонких объектов лежащих на конвейерной ленте, контроля наличия продукции в упаковке, небольшого отклонения уровня или плоскостности поверхности объекта, обнаружения объектов движущихся в несколько рядов – датчики с подавлением фона позволяют «разглядеть» объекты во втором ряду не реагируя на объекты в первом, ближнем к датчику ряду и наоборот.
Регулировка расстояния обнаружения в датчиках с подавлением фона осуществляется не путем изменения его чувствительности, а методом оптической триангуляции. В конструкции датчиков данного типа имеется внутренний датчик положения (PSD – position sensor detector), который определяет угол падения отраженного от объекта луча, а значит расстояние до него. Благодаря измерению угла отражения датчики D-типа с подавлением фона могут обнаруживать все объекты на заданном расстоянии не зависимо от их цвета.
Максимальное расстояние срабатывание датчиков D-типа редко превышает 4 м. Вблизи датчика существует некоторая «слепая» зона, размер которой зависит от конструкции датчика. Эффективный пучок света диффузионных датчиков равен размеру объекта контроля. Диффузионные датчики намного проще монтировать по сравнению с датчиками Т и R-типа так как при этом не требуется совмещения оптических осей излучатели и приемника или датчика и мишени. По этой же причине датчики D-типа наиболее устойчивое к вибрациям решение из числа оптических датчиков положения.
В сравнении с широко применяемыми в промышленности бесконтактными емкостными, индуктивными и ультразвуковыми датчиками положения, а также механическими концевыми выключателями оптические датчики положения имеют ряд преимуществ:
- Бесконтактный метод контроля положения и перемещения объекта. Как следствие отсутствует механический износ, дребезг контактов и ложные срабатывания;
- Зона срабатывания и обнаружения объекта от нескольких миллиметров до нескольких сотен метров в зависимости от типа датчика;
- Высокая скорость отклика. Датчики положения оптического типа с успехом применяются на конвейерных лентах, где объекты движутся с высокой скоростью и плотностью размещения на ленте. Датчики данного типа могут применятся не только для контроля объектов, но и для счета этих объектов. Частота переключений может достигать 30 кГц;
- Возможность обнаружения объектов очень малых размеров. Так как оптический луч оптических датчиков положения с помощью системы линз, диафрагм и оптоволоконных кабелей можно сфокусировать в очень тонкий пучок это позволяет контролировать наличие объектов очень небольших размеров;
- Возможность обнаружения объектов из различных материалов. Если индуктивные и емкостные датчики накладывают определенные ограничения на такие характеристики контролируемого объекта как магнитные свойства и диэлектрическая проницаемость, то оптические датчики, при соответствующей настройке, с успехом обнаруживают объекты практически из любого материала. Оптические датчики положения используются в том числе и для обнаружения тонких и прозрачных объектов, таких как полиэтиленовая пленка. Обычно для этих целей используют датчики с видимым излучением красного цвета;
- Возможность настройки расстояния срабатывания для выборочного контроля и счета объектов, движущихся перед датчиков в несколько рядов;
- Наличие таймера срабатывания для подавления случайных оптических помех;
- Возможность обнаружения объектов с очень высокой температурой, например, литья, поковок, проката и т.п;
- Нечувствительность к магнитным полям, электростатическим помехам;
- Нечувствительность к ионизирующему излучению и возможность установки в крайне стесненном пространстве (для оптоволоконных оптических датчиков положения).
К недостаткам оптических датчиков положения можно отнести:
Возможность ложных срабатываний при работе в условиях высокой запыленности, тумана, интенсивной внешней засветки, низких температур, сильной вибрации;
- Невозможность обнаружения объекта через непрозрачную преграду или стенку резервуара или контейнера;
- Трудоемкую процедуру совмещения оптических осей излучателя и приемника у датчиков T-типа при их монтаже, особенно если расстояние между ними превышает несколько десятков метров;
- Необходимость настройки чувствительности датчика у датчиков D-типа, в зависимости от отражающей способности поверхности контролируемых объектов;
- Постепенная деградация излучателя (светодиода) датчика из-за чего интенсивность его излучения постепенно падает и со временем может потребоваться подстройка чувствительности датчика;
- Наличие слепых зон у датчиков D и R-типа. Слепой называется зона от активной поверхности оптического датчика до минимального расстояния его срабатывания. В слепой зоне объект не обнаруживается датчиком.
С помощью оптических датчиков положения можно не только контролировать положение объектов и вести их счет на высокой скорости, но и оценивать их геометрические размеры в одном или даже двух измерениях. Такая возможность осуществляется с помощью световых барьеров и световых решеток – множества фотоэлектрических датчиков объединенных в линейки с определенным шагом размещения датчиков в ней.
Благодаря своим высоким потребительским качествам, точности и высокой скорости обнаружения объектов, разнообразным конструктивным исполнениям и относительно невысокой стоимости, оптические датчики нашли широкое применение. Обилие различных аксессуаров и опций, таких как, подогрев оптики, оптоволоконные удлинительные кабели, поляризационные фильтры, аналоговые, цифровые и дискретные выходные сигналы, лазерный излучатель вместо светодиодного существенно расширяют сферу применения данных датчиков как по условиям эксплуатации так и по возможности их интеграции в существующую систему автоматизированного управления.
При подготовке публикации использованы информационные материалы компании Русавтоматизация.
10 причин выбрать оптические датчики положения
В датчиках применяют светодиоды, которые испускают импульсы света в спектре от видимого зеленого света до невидимого инфракрасного излучения в зависимости от сферы применения датчика. Излучатель, кроме того, может иметь регулировки интенсивности излучения и индикатор работы.
Приемник состоит из фотодетектора (фотодиода), демодулятора, порогового устройства (триггера) и выходных цепей (PNP или NPN транзистор с открытым коллектором, реле, аналоговый выход NAMUR, IO-link и др.). При необходимости приемник оснащается регулятором чувствительности и индикатором работы. У некоторых приборов есть функция обучающего режима TEACH-IN, чтобы датчик срабатывал на отражённый свет определённого объекта. Это можно использовать для прозрачных объектов.
Тонкости выбора оптических датчиков положения
Когда луч света от датчика достигает объекта контроля, возникают такие явления как передача, отражение и поглощение света. То, какое явление преобладает в этом случае, зависит от взаимного расположения излучателя и приемника, размеров объекта, его материала, толщины, цвета и шероховатости поверхности.
По принципу действия оптические датчики разделяют на 3 основных типа:
 | T–тип или THRU-BEAM (разнесенная оптика) или датчики на прерывание оптического луча. Состоят из приемника и излучателя, устанавливаемых друг напротив друга. |
 | R–тип или RETRO (с отражением от световозвращателя/рефлектора). Излучатель и приемник находятся в одном корпусе. |
 | D–тип или DIFFUSE (с отражением от объекта). Отражение оптического луча происходит непосредственно от объекта обнаружения. |
И теперь о каждом подробнее.
Датчики Т-типа
Датчики Т-типа имеют так называемую разнесенную оптику – излучатель и приемник располагаются друг напротив друга на некотором расстоянии. При прохождении объекта между излучателем и приёмником оптический луч прерывается, и приёмник датчика формирует выходной сигнал, сигнализируя о наличии объекта в зоне контроля. Датчики данного типа часто называют барьерными или датчиками пересечения луча. Приемник и излучатель должны быть из одного комплекта от одного производителя.
Датчики Т-типа удобны для контроля непрозрачных или хорошо отражающих объектов, но могут давать неудовлетворительные результаты при обнаружении прозрачных объектов. Так как излучатель и приемник в датчиках данного типа конструктивно выполнены в разных корпусах, что позволяет установить максимальный коэффициент усиления, то их можно использовать в условиях высокой загрязненности рабочей среды. Максимальное расстояние между излучателем и приемником, так называемая зона срабатывания, может достигать 60 м.
Зона срабатывания оптических датчиков это диапазон допустимых расстояний от датчика до объекта контроля, на которых осуществляется его обнаружение. Зона срабатывания зависит от взаимного расположения излучателя и приемника, коэффициента усиления, принципов распределения светового луча и диаметра светового пятна, так как приемник датчика срабатывает только при попадании объекта в зону светового пятна. У оптических датчиков Т-типа отсутствует так называемая «слепая» зона, поэтому зона срабатывания равна расстоянию между излучателем и приемником. Размер эффективного светового луча датчика Т-типа равен диаметру линзы излучателя и приемника. Поэтому минимальный размер объекта контроля должен быть больше диаметра линзы датчика.
Датчики R-типа
В датчиках R-типа приёмник и излучатель расположены в одном корпусе. Датчики данного типа для своей работы требуют установки специального рефлектора-отражателя. У датчиков положения данного типа излучатель и приемник располагаются в одном корпусе и «смотрят» в одну сторону – в сторону установленного точно напротив датчика на определенном расстоянии специального отражателя. Луч от излучателя проходит двойное расстояние: от излучателя до отражателя и в обратную сторону – от отражателя до приемника. Если на пути луча возникает объект, приемник формирует выходной сигнал. Обратная логика работы датчика может быть реализована путем установки отражателя на объекте, перемещение которого контролируется датчиком. Датчики данного типа еще называют рефлекторными. Рефлекторы, которые еще называют отражателями, катафотами или мишенями, приобретаются отдельно от датчиков. Рефлекторы могут иметь различную форму и размеры. Диапазон измерений рефлекторных датчиков положения обычно указывается при использовании конкретной модели отражателя.
Зона срабатывания рефлекторных датчиков (расстояние от линзы излучателя до рефлектора) может достигать 35 м. Размеры контролируемого объекта должны быть больше размеров применяемого рефлектора.
Рефлекторные датчики могут нестабильно работать при обнаружении блестящих объектов, отражающих световой луч датчика от своей поверхности, из-за чего датчик не сможет определить от чего произошло отражение: от рефлектора или объекта.
Для обнаружения хорошо отражающих предметов используют рефлекторные датчики с поляризационными фильтрами и специальными угловыми кубическими рефлекторами, изменяющими плоскость поляризации светового луча на 90°. Поляризационные фильтры размещаются перед линзой излучателя и приемника и пропускают только поляризованный в одной плоскости световой пучок. Излученный излучателем пучок света поляризуется в вертикальной плоскости. Световой луч, отраженный от рефлектора, имеет измененную на 90° плоскость поляризации – луч становится горизонтально поляризованным. Поэтому он без проблем проходит через горизонтальный поляризационный фильтр приемника.
Если же луч отражается от блестящего объекта, то его вертикальная поляризация не меняется, и он блокируется горизонтальным поляризационным фильтром приемника, и датчик обнаруживает этот объект.
При работе с поляризованными рефлекторными датчиками положения не рекомендуется использовать в качестве рефлектора отражающие наклейки – необходимо использовать специальные угловые кубические рефлекторы.
Некоторые модели рефлекторных датчиков способны обнаруживать стеклянные предметы, так как очень чувствительны даже к небольшой разнице между излученным и принятым световым сигналом.
Датчики D-типа
Датчики D-типа по конструкции и принципу действия схожи с датчиками R-типа, но отражателем в данном случае является сам контролируемый объект. Еще одним отличием от датчиков R-типа является то, что при отсутствии объекта оптический тракт оказывается разомкнутым – луч от излучателя попадает в приемник лишь при наличии объекта перед датчиком. Так как приемник датчика принимает рассеяно отраженный от объекта луч, то интенсивность этого луча сильно зависит от характеристик поверхности объекта и расстояния до объекта. Для разных материалов будут разные нормированные расстояния срабатывания. Для грубой корректировки расстояний срабатывания в зависимости от материала объекта нужно использовать корректирующие коэффициенты, указанные в руководстве по эксплуатации датчика, например:
- Матовая белая поверхность – 1,0;
- Серый ПВХ – 0,57;
- Белый пластик – 0,7;
- Черный пластик – 0,22;
- Матовый алюминий – 1,2;
- Полированная нержавеющая сталь – 2,3.
При выборе конкретной модели датчика D-типа особое внимание нужно уделить цвету и шероховатости поверхности объектов контроля. Если предполагается контролировать объекты темного цвета с шероховатой поверхностью, необходимо выбирать датчики с возможностью регулировки чувствительности.
Разновидностью датчиков D-типа являются датчики с подавлением переднего фона, заднего фона и переднего и заднего фона одновременно. Датчики с подавлением фона предназначены для обнаружения предметов на строго определенном расстоянии. Оптические датчики с подавлением фона применяются, например, для обнаружения тонких объектов, лежащих на конвейерной ленте, контроля наличия продукции в упаковке, небольшого отклонения уровня или плоскостности поверхности объекта, обнаружения объектов, движущихся в несколько рядов. Датчики с подавлением фона позволяют «разглядеть» объекты во втором ряду, не реагируя на объекты в первом, ближнем к датчику ряду и наоборот.
Регулировка расстояния обнаружения в датчиках с подавлением фона осуществляется не путем изменения его чувствительности, а методом оптической триангуляции. В конструкции датчиков данного типа имеется внутренний датчик положения (PSD – position sensor detector), который определяет угол падения отраженного от объекта луча, а значит расстояние до него. Благодаря измерению угла отражения датчики D-типа с подавлением фона могут обнаруживать все объекты на заданном расстоянии независимо от их цвета.
Максимальное расстояние срабатывания датчиков D-типа редко превышает 3 м. Вблизи датчика существует некоторая «слепая» зона, размер которой зависит от конструкции датчика. Эффективный пучок света диффузионных датчиков равен размеру объекта контроля. Диффузионные датчики намного проще монтировать по сравнению с датчиками Т и R-типа, так как при этом не требуется совмещения оптических осей излучатели и приемника или датчика и мишени. По этой же причине датчики D-типа наиболее устойчивое к вибрациям решение из числа оптических датчиков положения.
С помощью оптических датчиков положения можно не только контролировать положение объектов и вести их счет на высокой скорости, но и оценивать их геометрические размеры в одном или даже двух измерениях. Такая возможность осуществляется с помощью световых барьеров и световых решеток – множества фотоэлектрических датчиков объединенных в линейки с определенным шагом размещения датчиков в ней. |
Оптические датчики — одни из самых необходимых в системах автоматизированного управления устройств. В этой статье мы расскажем о том, что представляют собой такие бесконтактные выключатели, рассмотрим их строение, принцип работы и области использования.
Содержание:
- Общее понятие
- Строение
- Схема подключения
- Типы фотоэлектрических датчиков
- Области применения
Общее понятие
Оптические датчики — это устройства, призванные реагировать на изменения в окружающей среде — появление в зоне видимости полупрозрачных и непрозрачных предметов, дыма, пара, аэрозолей. Они подают сигнал на вход регистрирующей или управляющей системы в момент, когда происходит воздействие электромагнитного излучения в видимом, инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах.
Оптические устройства входят в группу бесконтактных датчиков. Механический контакт между сенсором и воздействующим на него объектом отсутствует. Устройство действует на более дальнее расстояние, чем иные виды бесконтактного оборудования. Благодаря этому такие датчики широко используются в автоматизированных системах управления.
Строение
Оптические бесконтактные выключатели имеют в своей конструкции следующие элементы:
- излучатель. В него входят корпус, сам излучатель, подстроечный элемент, генератор и индикатор движения;
- приемник. Состоит из основной части, фотодиода, подстроечного элемента, электронного ключа, триггера, демодулятора и индикатора.
Индикатор рабочего состояния позволяет регулировать чувствительность оптического устройства. С его помощью можно настроить точность восприятия объектов, находящихся на неблагоприятном фоне. В качестве источников излучения выступают светодиоды.
Схема подключения
На выходе фотоэлектрического устройства установлен транзистор PNP или NPN-типа с открытым коллектором. В зависимости от типа, нагрузка распределяется между выходом и плюсовым или минусовым проводом. В изначальном состоянии ток подключен, выполняется размыкание контактов, в ином случае — замыкание.
Типы фотоэлектрических датчиков
Оптические бесконтактные устройства делятся на:
- моноблочные — излучатель и приемник сигнала являются единым целым;
- двухблочные — в них источник излучения и приемник разделены.
Также фотодатчики подразделяются на 3 типа в зависимости от принципа действия:
1. T — барьерные. В таких оптических бесконтактных устройствах излучатель и приемник расположены в отдельных корпусах, установленных на одной оси друг против друга. Они могут быть размещены на расстоянии до 100 м. Луч принимается от отдельного передатчика сигнала. Когда объект попадает в зону действия устройства, он прерывает луч. Приемник регистрирует изменения и подает сигнал на управляемое оборудование.
2. R — рефлекторные. Излучатель и приемник находятся в одном корпусе. Перед поступлением на датчик луч отражается от рефлектора ― катафота. Дальность работы устройства может достигать 8 м. Дополнительно в подобное оборудование устанавливаются поляризационные фильтры, позволяющие выявлять предметы с зеркальной или отражающей поверхностью. Оптические бесконтактные датчики этого типа широко применяются на конвейерах для подсчета количества изделий.
3. D — диффузионные. В таких бесконтактных устройствах приемник и передатчик сигнала устанавливаются в общий корпус. Луч отражается от объекта в рассеянном виде. Приемник учитывает его интенсивность и, если она достаточна, передает сигнал к действию на подключенное устройство. Для более точного определения плотности объекта и обеспечения безошибочного срабатывания используется подавление фона. Бесконтактный оптический датчик со стандартными настройками может действовать на расстоянии до 2 м. Дальность зависит от отражательных свойств предметов и может быть увеличена благодаря использованию поправочного коэффициента.
Области применения
Фотодатчики используются для подсчета предметов, их позиционирования и сортировки на автоматизированных производственных линиях. Также устройства применяются для определения наличия на поверхности объектов, надписей, стикеров, этикеток, иных меток. Оптические датчики помогают контролировать расстояние, размеры, цвет предметов, степень их прозрачности. Благодаря этому их часто используют для создания охранных и осветительных систем, реагирующих на движение.
Оптически-волоконные детекторы представляют собой устройства, используемые во многих сферах промышленности для определения концентрации веществ, скорости вращения, показателя преломления, механического напряжения, давления, уровня жидкости, температуры, вибрации, ускорения, положения в пространстве. Оптически волоконный тип датчиков приобретает все большее распространение для фиксации изменения параметров в ходе технологических процессов благодаря стабильности в течении продолжительного периода времени, устойчивости к помехам, имеющим электромагнитную природу, возможности бесконтактного измерения и другим преимуществам.
Основу для измерения величины, на которую в ходе определенных воздействий изменяются перечисленные величины, используется изучение показателей отраженного пучка света, пропускаемого через оптическое волокно.
История появления
Развитие технологий предусматривает разработку автоматизированных систем управления и контроля, внедрение сенсорных элементов, позволяющих с высокой точностью контактным или бесконтактным способом определять изменение физических величин. Среди других требований к перспективным конструкциям современных метрологических устройств, специалисты называют:
- долговечность;
- небольшие затраты энергии на работу;
- возможность применения совместно с микроэлектронными устройствами для обработки данных;
- стабильность;
- небольшие габариты;
- малый вес;
- высокая достоверность получаемой информации;
- малая трудоемкость изготовления;
- небольшая стоимость.
Специалисты утверждают, что приобретающие все большую популярность детекторы из оптоволокна соответствуют приведенному списку по большинству пунктов. Оптическая электроника находится на стыке электроники и оптики, принцип ее работы основан на возможности использования в радиотехнике волн оптического диапазона. Возможность синтеза электронного и оптического устройства была обоснована Лоебнером в 1955 г, когда ученый описал основные параметры таких приспособлений, называя их оптронами.
Следующей важной вехой в развитии технологии было создание волокон оптического типа, основанного на успешном опыте получения фирмой Корнинг (США) волокон с небольшим показателем затухания, не превышающим 20 дБ/км. Первые работоспособные прототипы датчиков были разработаны во второй половине 70-х годов прошлого века. Следующие 10 лет после этого (1972-1982 гг) усилия исследователей были направлены на снижение потерь при передаче для оптических волокон различных видов.
Таким образом, изначально предназначенная для обеспечения связи, оптоволоконная отрасль развилась до выпуска приборов, основанных на изучении параметров электромагнитных волн, проходящих через световод и производства высокоточных датчиков.
Общий принцип действия оптоволоконных датчиков
Принцип работы волоконно-оптических датчиков основан на преобразовании сигнала, полученного от чувствительного элемента в результате внешних изменений в показатели рассеянного или отраженного излучения. Специалисты в этой области электроники говорят о том, что в качестве выходного параметра в различных типах детекторов может измеряться:
- Распределение параметров состава излучения по спектру или моде.
- Фаза электромагнитной волны.
- Показатели поляризации.
- Интенсивность оптической волны.
Одним из основных элементов, позволяющих передавать сигнал об изменении свойств или состояния объекта, являются оптические модуляторы.
Важно! При воздействии управляющего сигнала на твердотельные устройства, предназначенные для модулирования электромагнитной волны, за счет изменения параметров материала происходит колебание оптических характеристик используемого вещества.
Общий принцип действия оптоволоконных детекторов состоит в том, что электромагнитная волна, генерируемая супер-люминесцентным оптическим источником или лазером, передается через волокно. При этом вследствие действия внешних факторов наблюдаются изменения в решетках Брэгга или незначительное колебания параметров волокна, которые достигают модуля детектирования, где происходит прием сигнала, его усиление и оценка.
Обратите внимание! Сам по себе прибор представляет собой устройство, имеющее небольшие размеры, характерной особенностью которого является то, что волокно выступает в качестве сенсора, способного определять параметры изменения величин и в качестве линии передачи сигнала.
Разновидности
Управляющий сигнал связан со свойствами материала посредством магнитооптических, акустооптических или электрооптических характеристик. По особенностям строения и принципу действия, специалисты различают такие виды детекторов, как:
- волоконно-оптическая разновидность, отличающаяся тем, что в нем в качестве сенсора выступает волокно, оптические характеристики которого изменяются под воздействием факторов внешней среды;
- элементы с оптически-волоконными связями, в которых сенсор располагается на участке разрыва волокна, в результате чего может воздействовать на светопередачу;
- интегрально-оптические датчики, использующие в качестве чувствительного элемента световод планарного типа, принцип действия которого базируется на нарушении полного внутреннего отражения для лучей, проходящих вдоль его поверхности и выходящих за нее в результате изменения показателей преломления;
- оптопары, имеющие открытый канал, в котором располагается промежуточный элемент или изучаемая среда.
Деформации
1 группа
Специалисты в области автоматики разделяют детекторы этой группы на:
- Датчики деформации, действие которых основывается на изменении параметров дифракционной решетки Брэгга, нанесенных на поверхность волокна. В процессе прохождения через волоконно-оптическую линию излучение воспринимает решетку, как зеркало, показатели отражения которого зависят от ее периода.
Обратите внимание! При изменении параметров тела, связанного с кабелем происходит растяжение или сжатие решеток, в результате чего изменяется показатель их отражения, что фиксирует регистрирующая аппаратура.
2 группа
- Вторая конструкция основана на принципе действия интерферометра Фабри-Перро. Одна сторона кабеля прозрачна и способна пропускать излучение, а другая – полностью отражает его.
Важно! Электромагнитная волна, отраженная от обеих поверхностей поступает на приемник сигнала, где происходит интерференция, анализ картины которой позволяет с высокой точностью определить изменение линейных деформаций волокна.
К числу преимуществ таких конструкций специалисты относят отсутствие чувствительности к электромагнитному излучению, продолжительный срок эксплуатации, большое количество возможных геометрических форм и высокую точность измерения. Среди недостатков чаще всего называется сложность конструкции оптически-электронных составляющих и достаточно высокую стоимость устройства.
Перемещения
Одной из простейших конструкций, основанных на изменении интенсивности, является детектор перемещения. Принцип его работы состоит в том, что свет, поступающий в передающий кабель приемного и осветительного световодов, отражается зеркальной поверхностью, выступающей в этом типе датчика в качестве модулирующего элемента. Зеркало крепится на оптической планке, позволяющей совершать его перемещения с очень малым (0,005 мм) шагом. После отражения от зеркала, сигнал по приемным волокнам кабеля поступает на фотодиод, откуда сигнал направляется на регистрирующую аппаратуру.
Температуры
Определение температуры при помощи волоконно-оптического датчика основано на вибрациях молекулярной решетки, возникающих при прохождении света через область взаимодействия фотонов и электронов. При воздействии на кабель силы натяжения, давления, температуры наблюдается локальное изменение параметров сигнала обратной связи. Измерительные системы, основанные на использовании регистраторов из оптоволокна, применяют сопоставление интенсивности и спектра исходного и обратного рассеянного излучения, после его прохождения по волокну.
Давления
В промышленности измерение давления при помощи оптоволоконных кабелей проводится по оценке интенсивности излучения. Сенсором выступает элемент для измерения давления, в котором дифракционная решетка, локализующаяся между принимающими и передающими волокнами, присоединена к мембране.
Показатели давления определяют на базе оценки количества излучения, попадающего в выходные волокна после отражения от поверхности мембраны. Этот показатель зависит от действующего давления, поскольку в зависимости от его величины меняется расстояние между концом жгута и поверхностью мембраны. Детектор для определения нагрузки, действующей на поверхность, оборудован устройствами температурной компенсации, в процессе измерения он размещается между двумя контактирующими поверхностями.
Угла наклона
Детекторы, обеспечивающие измерение угла наклона в зависимости от положения объекта оснащены системой самокалибровки и устройствами компенсации влияния температуры на результат. Такие конструкции могут использоваться для непрерывного определения угла наклона строительных сооружений и промышленных объектов. Полученные сигналы от детекторов углов наклона передаются на универсальный регистрирующий оптоволоконный модуль.
Среди достоинств конструкций этого типа специалисты называют наличие прочного корпуса из металла, позволяющего выполнять наружный монтаж устройства, быстродействие, высокую точность передаваемой информации, защищенность от действия помех, пожаро- и взрывобезопасность.
Ускорения и вибрации
Волоконно-оптические датчики для определения вибраций, передаваемых узлами агрегатов или строительными конструкциями, нашел широкое применение при выполнении стендовых и лабораторных исследований. Эта разновидность метрологических конструкций представляет собой сенсорный элемент, установленный в металлическом корпусе и соединённый с трансивером оптико-электронного типа при помощи кабеля, на конце которого располагается угловой соединитель.
Среди преимуществ этого устройства специалисты называют продолжительный срок службы, возможность измерения с высокой точностью, даже в условиях повышенных температур, наличие возможности удаленного измерения параметров объекта
Акустический
Акустические устройства распределенного типа за счет отправления сигнала в кабель и последующего отслеживания отражений, рассеиваемых от него по длине волокна, позволяют измерять параметры акустического поля на длине до 50 км. После оценки времени между отправлением импульса и получением рассеянного отражения и анализа параметров получаемой ответной информации можно оценить величину акустического сигнала на всей длине протяженности кабеля.
Применение в экстремальных условиях
Условия внешней или контролируемой среды, в которых один или несколько действующих параметров, например агрессивность, концентрация, радиационная доза имеют предельно возможные значения в течение продолжительного периода времени, называются экстремальными.
Именно в таких условиях чаще всего работают первичные преобразователи выходных величин, получаемых при управлении такими технологическими процессами, как хранение отходов радиоактивного топлива, диагностика и мониторинг инженерных сооружений, имеющих сложную конструкцию, системы добычи, транспортировки и переработки газа, нефти.
Классические тензорезисторы и звенья не могут работать в подобных условиях, учитывая их чувствительность к излучениям электромагнитных волн в диапазоне измерения, ограничения работы в узком температурном диапазоне, невозможность использования в условиях повышенного радиационного фона и т.д.
Радиация
Отсутствие электроснабжения в месте локализации датчика не является помехой для его обеспечения удаленного мониторинга состояния атомных станций в случае повышенного радиационного фона или при возникновении нештатных ситуаций. Используемые в них сенсоры являются стойкими к действию радиации, а электронно-оптические преобразователи могут располагаться от них на расстоянии до 500 км от источника загрязнения.
Работоспособность датчиков в таких условиях позволяет обеспечить контроль над АЭС при возникновении форс мажорных обстоятельств и обеспечить принятие правильных решений по предотвращению расширения области локализации радиации.
Температура
Проблема обеспечения и контроля герметичности емкостей, содержащих жидкий водород, имеющий высокую текучесть и температуру на уровне –253 °С, обусловлена хрупкостью значительного количества материалов в таких условиях и снижением чувствительности датчиков палладиевого типа.
Чувствительные элементы современных детекторов из оптоволокна обладают хорошими показателями холодостойкости (до –270 °С) и высокой теплостойкостью (до +2300 °С), что позволяет обеспечить контроль технического состояния объектов, работающих в области как сверхнизких, так и сверхвысоких температур.
Последнее качество особенно важно при обеспечении измерения сухости перегретого пара в генераторах газа и давления в соплах реактивных двигателей, имеющих температуру до +600 °С, поскольку наиболее подходящие для этих измерений пьезоэлектрические детекторы не могут обеспечить нормальную работу при температуре выше +300 °С.
Электромагнитные помехи
Измерения колебаний физических величин представляет проблему, в случае работы электронного датчика в условиях электромагнитных помех. Среди наиболее часто встречающихся препятствий для нормальной работы устройств, специалисты называют измерение токов и напряжений, имеющих большие величины, наводки на кабели для передачи электричества коаксиального типа, чувствительность аппаратуры к грозовым разрядам, выполнение контроля пульса пациента на специальной медицинской установке.
Чувствительные элементы детекторов волоконно-оптического типа относятся к классу изоляторов и характеризуются отсутствием чувствительности к наводкам и электромагнитным помехам. Эти свойства позволяют с высокой степенью достоверности (класс точности 02s) определять значения токов, величиной до 200 кА и напряжений, величина которых достигает 800 кВ.
Агрессивные средства
Трудностью для детекторов электрического типа является и измерение величин агрессивных химических веществ, продолжительные измерения деформации сооружений и объектов, находящихся под действием динамической нагрузки. Некоторые сложности вызывает и измерения, в которых имеется множество точек контроля, поскольку в этой ситуации наблюдается увеличение объема электрических кабелей до неприемлемых величин.
Чувствительные элементы датчиков из оптоволокна за счет наличия большого количества сенсоров могут выполнять одновременно функции по замеру различных физических величин, например температуры и деформации и т.д. Кабели, имеющие большое количество оптических волокон, способны выполнять измерения температурных полей при помощи тепловизоров и пирометров, а дистанционные замеры при помощи видеокамер скважинного типа.
Метрологическая калибровка
Одной из существенных проблем электромагнитных датчиков, вмонтированных внутрь объектов, например опорные конструкции или стены высоток, бетонные сооружения мостов и гидротехнических плотин является сложность выполнения поверки их показаний и калибровки устройств. Волоконно-оптические детекторы, учитывая их мультимодальность, отличаются встроенной функцией самоконтроля точности метрологических показателей, за которым следует подстройка под заданные параметры без использования эталонов для поверки и остановки технологических процессов.
Сферы применения
Развитие технологии производства волоконно-оптических детекторов позволило не только снизить стоимость этих устройств, но и решить ряд проблем, связанных с невозможностью использования обычных средств тензометрии для определения изменения физических величин в нетипичных условиях. Современные конструкции оптоволоконных детекторов применяются:
- в системах безопасности и оповещения;
- для контроля работы плавильных печей;
- для обнаружения утечек на гидротехнических сооружениях;
- контроль значений температуры во время различных технологических процессов;
- в системах оповещения о пожарной тревоге;
- с целью повышения эффективности использования газовых и нефтяных скважин;
- для контроля герметичности емкостей для хранения сжиженного природного газа в терминалах и на судах;
- при обнаружении протекания в трубопроводах и контроля уровня жидкости.
В дальнейшем специалисты прогнозируют развитие технологии таким образом, что закладываемые при строительстве новых сооружений оптико-волоконные системы смогут обеспечивать контроль и поддержание в необходимом диапазоне всех эксплуатационных параметров каждого объекта. Подобный подход может решить проблему моментального оповещения о происшествии и координации вызова экстренных служб.
Нефтедобыча
Использование волоконно-оптических детекторов позволяет повысить средний дебит каждой скважины, обеспечить увеличение продолжительности эксплуатации дорогостоящего насосного оборудования, достигаемого за счет внедрения систем мониторинга и автоматизации процесса. Получаемая с датчиков информация позволяет осуществлять управление процессом в режиме реального времени, своевременно корректировать параметры процесса.
Перспектива развития отрасли состоит в замене активных детекторов состояния объектов на системы пассивного контроля, что в свою очередь приведет к увеличению коэффициента извлекаемости ископаемых видов топлива и позволит снизить удельные затраты энергии на получение конечного объема продукта.
Транспортировка газа
В сфере газотранспортной системы измерение показателей температуры, давления, коррозии и деформации позволяют своевременно проводить упреждающее обслуживание газопроводов для обеспечения надежности ее работы. При этом типе оптоволоконной деформации используется кабель с дифракционными решетками, позволяющие измерять действующие нагрузки в широком диапазоне значений.
Особенности практического использования детекторов в сфере газодобычи показал наличие круглосуточного оперативного доступа для проверки технического состояния отдельных линий магистрали, что в свою очередь позволило снизить количество аварий на единицу длины трубопровода почти в 2,5 раза.
Хранение отработанного ядерного топлива
Остаточная опасность отработанных частиц ядерного топлива предъявляет особые требования к утилизации остатков продуктов распада. К полигону для хранения токсических соединений предъявляются достаточно строгие требования, среди которых необходимость обеспечения устойчивости к действию геохимических и механических факторов, обеспечение эффективности хранения с низкими эксплуатационными расходами в течение продолжительного периода времени, надежность и точность функционирования оборудования.
Значительно упростить процесс организации хранения этого вида отходов может использование чувствительных оптоволоконных элементов для определения температуры, деформации, смещения.
Авионика и автоэлектроника
Устойчивость к электромагнитным помехам, небольшие габариты, способность сохранять работоспособность в условиях повышенных и пониженных температур у этих детекторов оказались востребованы в области автоэлектроники и авионики. Чаще всего в этих сферах применяются датчики углового и линейного положений, температуры и акселерометры. В области авиации эти устройства нашли применение в используемых там гироскопах, работающих на принципе интерферометра кольцевого типа и в системе навигации летательных аппаратов.
Медицина и биотехнологии
В области медицины и клеточных технологий, эти датчики нашли применение благодаря высокой разрешающей способности, небольшому диаметру и пластичности используемого оптического волокна, биологической и химической стойкости устройств.
Подробнее о применении в ядерной энергетике
В области практического применения ядерной энергетики детекторы этого типа ценят за возможность дистанционного определения ключевых показателей работы станции на безопасном для оператора расстоянии. Источник сигнала может находиться в десятках и сотнях километров от воспринимающего отклик устройства трансивера. Использование оптоволоконного кабеля позволяет избежать применения импульсных трубок, что в свою очередь делает ненужным использование металлоемкая арматура, входящая в состав труб, минимизируются неточности измерений.
Отдельное поступление сигналов обеспечивается за счет того, что каждый детектор имеет свою максимальную длину отражаемой волны. Кроме этого в конструкциях имеющих большое количество установленных в системе датчиков, сигналы от сенсорного элемента поступают с определенным временным интервалом.
виды, устройство, принцип работы, применение
Датчик — это миниатюрное, сложное устройство, которое преобразует физические параметры в сигнал. Подает он сигнал в удобной форме. Основной характеристикой датчика является его чувствительность. Датчики положения осуществляют связь между механической и электронной частью оборудования. Пользуются им для автоматизации процессов. Используются эти устройства во многих отраслях производства.
Описание и назначение
Датчики положения могут быть разными по форме. Изготавливают их для определенных целей. С помощью прибора можно определить месторасположение объекта. Причем физическое состояние не имеет значение. Объект может иметь твердое тело, быть в жидком состоянии, либо даже сыпучим.
При помощи прибора можно решить разные задачи:
- Измеряют положение и перемещение (угловое и линейное) органов в рабочих машинах, механизмах. Измерение может совмещаться с передачей данных.
- В АСУ, робототехнике может быть звеном обратной связи.
- Контроль степени открытия/закрытия элементов.
- Регулировка направляющих шкивов.
- Электропривод.
- Определение данных расстояния до предметов без привязки к ним.
- Проверку функций механизмов в лабораториях, то есть провести испытания.
Классификация, устройство и принцип действия
Датчики положения бывают бесконтактные и контактные.
- Бесконтактные, это приборы являются индуктивными, магнитными, емкостными, ультразвуковыми и оптическими. Они при помощи магнитного, электромагнитного или электростатического поля образуют связь с объектом.
- Контактные. Самым распространенным из этой категории, является энкодер.
Бесконтактный
Бесконтактные датчики положения или сенсорный выключатель, срабатывают без контакта с подвижным объектом. Они способны быстро реагировать и часто включаться.
По прицепу действия бесконтактные бывают:
- емкостными,
- индуктивными,
- оптическими,
- лазерные,
- ультразвуковые,
- микроволновые,
- магниточувствительные.
Бесконтактные могут применяться для перехода на частоту вращения ниже, или остановки.
Индуктивные
Индуктивный датчик бесконтактный работает за счет изменений в электромагнитном поле.
Основные узлы индуктивного датчика изготовлены из латуни либо полиамида. Узлы связанны между собой. Конструкция надежна, способна выдерживать большие нагрузки.
- Генератор создает электромагнитное поле.
- Триггер Шмидта перерабатывает информацию, и передает другим узлам.
- Усилитель способен передавать сигнал на большие расстояния.
- Светодиодный индикатор помогает контролировать его работу и отслеживать изменение настроек.
- Компаунд — фильтр.
Работа индуктивного прибора начинается с момента включения генератора, создается электромагнитное поле. Поле влияет на вихревые токи, которые меняют амплитуду колебаний генератора. Но генератор первый реагирует на изменения. Когда в поле попадает двигающийся металлический предмет, сигнал подается на блок управления.
После поступления сигнала, происходит его обработка. Величина сигнала зависит от объема предмета, и от расстояния, разделяющего предмет и прибор. Затем происходит преобразование сигнала.
Емкостные
Емкостной датчик внешне может иметь обычный плоский или цилиндрический корпус, внутри которого штыревые электроды, и диэлектрическая прокладка. Одна из пластин стабильно отслеживает перемещение предмета в пространстве, в результате изменяется емкость. С помощью этих приборов измеряют угловое и линейное перемещение предметов, их размеры.
Емкостные изделия простоты, обладают высокой чувствительностью и малой инерционностью. Внешнее влияние электрических полей влияет на чувствительность прибора.
Оптические
Оптические датчики называют глазами авторизованного производства. В основном это фотодатчики, работающие в инфракрасной области. Они способны:
- Измерять положение, перемещение предметов, после концевых выключателей.
- Выполнять бесконтактное измерение.
- Выявить положение предметов двигающихся на большой скорости.
Барьерный
Барьерный оптический датчик обозначают латинской буквой «Т». Этот оптический прибор двухблочный. Используется для обнаружения предметов попавших в зону обзора между передатчиком и приемником. Зона действия до 100м.
Рефлекторный
Буквой «R» обозначается рефлекторный оптический датчик. Изделие рефлекторное вмещает в одном корпусе передатчик и приемник. Рефлектор служит отражением луча. Чтобы обнаружить предмет с зеркальной поверхностью в датчике устанавливают поляризационный фильтр. Дальность действия до 8м.
Диффузионный
Датчик диффузионный обозначается буквой «D». Корпус прибора моноблочный. Этим приборам не требуется точная фокусировка. Конструкция рассчитана на работу с предметами, находящиеся на близком расстоянии. Дальность действия 2 м.
Лазерные
Лазерные датчики обладают высокой точностью. Они могут определить место, где происходит движение и дать точные размеры объекта. Приборы эти небольших габаритов. Потреблении энергии приборами минимальное. Изделие моментально способно выявить чужого и сразу включить сигнализацию.
Основа работы лазерного прибора — измерить расстояние до предмета с помощью треугольника. Излучается лазерный луч из приемника с высокой параллельностью, попадая на поверхность предмета, отражается. Отражение происходит под определенным углом. Величина угла зависит от расстояния, на котором находится предмет. Отраженный луч возвращается в приемник. Считывает информацию интегрированный микроконтроллер – он определяет параметры объекта и его расположение.
Ультразвуковые
Ультразвуковые датчики – это сенсорные приборы, которые используются для преобразования электрического тока в волны ультразвука. Их работа основана на взаимодействии колебаний ультразвука с контролируемым пространством.
Работают приборы по принципу радара — улавливают объект по отраженному сигналу. Звуковая скорость постоянная величина. Прибор способен вычислить расстояние до объекта в соответствии с диапазоном времени, когда вышел сигнал и вернулся.
Микроволновые
Микроволновые датчики движения излучают высокочастотные электромагнитные волны. Изделие чувствительно к изменению отражаемых волн, которые создаются объектами в контролируемой зоне. Объект же может быть теплокровным, живым, или просто предметом. Важно чтобы объект отражал радиоволны.
Используемый принцип радиолокации, позволяет обнаружить объект и вычислить скорость его перемещения. При движении срабатывает прибор. Это эффект Допплера.
Магниточувствительные
Этот вид приборов изготавливают двух видов:
- на основе механических контактов;
- на основе эффекта Холла.
Первый может работать при переменном и постоянном токе до 300V или при напряжении близком к 0.
Изделие на основе эффекта Холла чувствительным элементом отслеживает изменение характеристик при действии внешнего магнитного поля.
Контактный
Контактные датчики — это изделия параметрического типа. Если наблюдаются трансформации механической величины, у них изменяется электрическое сопротивление. В конструкции изделия два электрода, которые обеспечивают контакт входа приемника с грунтом. Емкостной преобразователь состоит из двух металлических пластин, держат они два оператора, установленных на удалении друг от друга. Одной пластиной может быть корпус приемника.
Контактный угловой датчик называют энкодер, используется для определения угла поворота вращающегося предмета. Нейтральный отвечает за режимом работы двигателя.
Ртутный
Ртутные датчики положения имеют стеклянный корпус и по размерам схожи с неоновой лампой. Имеется два вывода-контакта с капелькой ртутного шарика внутри стеклянной вакуумной, запаянной колбы.
Используется автомобилистами для контроля угла наклона подвески, открытия капота, багажника. Используют его и радиолюбители.
Сферы применения
Области использования миниатюрных устройств обширны:
- Используют в машиностроении для сборки, тестирования, упаковки, сварки, заклепки.
- В лабораториях применяют для контроля, измерения.
- Автомобильной технике, в транспортной промышленности, подвижной технике. Наиболее популярен датчик нейтральной передачи для МКПП. Во многих системах управления автомобилей присутствуют датчики. Они есть в механизме рулевого управления, клапана, педали, в подкапотных системах, в системах управления зеркалами, креслами, откидными крышами.
- Применяют их в конструкциях роботов, в научной сфере и сфере образования.
- Медицинской технике.
- Сельском хозяйстве и спецтехнике.
- Деревообрабатывающей промышленности.
- Металлообрабатывающей области, в станках металлорежущих.
- Проволочном производстве.
- Конструкциях прокатных станов, в станках с программным управлением.
- Системы слежения.
- В охранных системах.
- Гидравлических и пневматических системах.
