Оптический датчик это – Оптические датчики — Википедия

ЕМКОСТНЫЕ – ИНДУКТИВНЫЕ – ОПТИЧЕСКИЕ

Электронные датчики (измерители) – важная составляющая в автоматизации любых технологических процессов и в управлении различными машинами и механизмами. С помощью электронных устройств можно получить полную информацию о параметрах контролируемого оборудования.

Принцип работы любого электронного датчика построен на преобразовании контролируемых показателей в сигнал, который передается для дальнейшей обработки управляющим устройством. Возможно измерение любых величин – температуры, давления, электрического напряжения и силы тока, силы света и других показателей.

Популярность электронных измерителей обуславливается рядом конструкционных особенностей, в частности возможно:

• передать измеряемые параметры на практически любое расстояние;
• преобразовать показатели в цифровой код для достижения высокой чувствительности и быстродействия;
• осуществлять передачу данных с максимально высокой скоростью.

По принципу действия электронные датчики разделяют на несколько категорий в зависимости от принципа действия. Одними из самых востребованных считаются:

• емкостные;
• индуктивные;
• оптические.

Каждый из вариантов обладает определенными преимуществами, которые определяют оптимальную сферу его применения. Принцип работы любого типа измерителя может различаться в зависимости от конструкции и используемого контролирующего оборудования.

ЕМКОСТНЫЕ ДАТЧИКИ

Принцип работы электронного емкостного датчика построен на изменении емкости плоского или цилиндрического конденсатора в зависимости от перемещения одной из обкладок. Также учитывается такой показатель как диэлектрическая проницаемость среды между обкладок. Одно из преимуществ подобных устройств – очень простая конструкция, которая позволяет достичь хороших показателей прочности и надежности.

Также измерители этого типа не подвержены искажениям показателей при перепадах температуры. Единственно условие для точных показателей – защита от пыли, влажности и коррозии.

Емкостные датчики широко используются в самых разнообразных отраслях. Простые в изготовлении приборы отличаются низкой себестоимостью производства, при этом обладают длительным сроком эксплуатации и высокой чувствительностью.

В зависимости от исполнения устройства делятся на одноемкостные и духъемкостные. Второй вариант более сложен в изготовлении, но отличается повышенной точностью измерений.

Область применения.

Наиболее часто емкостные датчики используют для измерения линейных и угловых перемещений, причем конструкция устройства может различаться в зависимости от метода измерения (меняется площадь электродов, либо зазор между ними). Для измерения угловых перемещений используют датчики с переменной площадью обкладок конденсатора.

Также емкостные преобразователи используют для измерения давления. Конструкция предусматривает наличие одного электрода с диафрагмой, которая под действием давления изгибается, меняя емкость конденсатора, что фиксируется измерительной схемой.

Таким образом, емкостные измерители могут использоваться в любых системах управления и регулирования. В энергетике, машиностроении, строительстве обычно используют датчики линейных и угловых перемещений. Емкостные преобразователи уровня наиболее эффективны при работе с сыпучими материалами и жидкостями, и часто используются в химической и пищевой промышленности.

Электронные емкостные датчики применяются для точного измерения влажности воздуха, толщины диэлектриков, различных деформаций, линейных и угловых ускорений, гарантируя точность показателей в самых разных условиях.

В начало

ИНДУКТИВНЫЕ ДАТЧИКИ

Бесконтактные индуктивные датчики работают по принципу изменения показателя индуктивности катушки с сердечником. Ключевая особенность измерителей данного типа – они реагируют только на изменение местоположения металлических предметов. Металл оказывает непосредственное влияние на электромагнитное поле катушки, что приводит к срабатыванию датчика.

Таким образом, с помощью индуктивного датчика можно эффективно отслеживать положение металлических предметов в пространстве. Это позволяет использовать индуктивные измерители в любой отрасли промышленности, где требуется наблюдение за положением различных конструктивных элементов.

Одна из интересных особенностей датчика – электромагнитное поле изменяется по-разному, в зависимости от вида металла, это несколько расширяет сферу применения устройств.

Индуктивные датчики обладают рядом преимуществ, из которых отдельного внимания заслуживает отсутствие подвижных частей, что существенно повышает надежность и прочность конструкции. Также датчики можно подключать к промышленным источникам напряжения, а принцип работы измерителя гарантирует высокую чувствительность.

Индуктивные датчики изготавливают в нескольких форм-факторах, для максимально удобной установки и эксплуатации, например двойные измерители (две катушки в одном корпусе).

Область применения.

Сфера использования индуктивных измерителей – автоматизация в любой сфере промышленности. Простой пример – устройство можно использовать в качестве альтернативы концевому выключателю, при этом будет увеличена скорость срабатывания. Датчики выполняют в пылевлагозащитном корпусе для эксплуатации в самых сложных условиях.

Устройства можно использовать для измерения самых различных величин – для этого используют преобразователи измеряемого показателя в величину перемещения, которая и фиксируется устройством.

В начало

ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ

Бесконтактные электронные оптические датчики – один из самых востребованных типов измерителей в отраслях промышленности, где требуется эффективное позиционирование любых объектов с максимальной точностью.

Принцип работы данного типа измерителей построен на фиксации изменения светового потока, при прохождении через него объекта. Самая простая схема устройства это излучатель (светодиод) и фотоприемник, преобразующий световое излучение в электрический сигнал.

В современных оптических измерителях используется современная электронная система кодирования, позволяющая исключить влияние посторонних источников света (защита от ложных срабатываний).

Конструктивно, оптические измерители могут выполняться как в отдельных корпусах для излучателя и приемника, так и в одном, в зависимости от принципа работы устройства и области его применения. Корпус дополнительно обеспечивает защиту от пыли и влаги (для работы при низких температурах используют специальные термокожухи).

Оптические датчики классифицируются в зависимости от схемы работы. Самый распространенный тип – барьерный, состоящий из излучателя и приемника, расположенных строго напротив друг друга. Когда постоянный световой поток прерывается объектом, устройство подает соответствующий сигнал.

Второй востребованный тип – диффузный оптический измеритель, в котором излучатель и фотоприемник располагаются в одном корпусе. Принцип действия основан на отражение луча от объекта. Отраженный световой поток улавливается фотоприемником, после чего происходит срабатывание электроники.

Третий вариант – рефлекторный оптический датчик. Как и в диффузном измерителе, излучатель и приемник конструктивно выполнены в одном корпусе, но световой поток отражается от специального рефлектора.

Использование.

Оптические датчики широко применяются в системах автоматизированного управления и служат для обнаружения предметов и их пересчета. Относительно простая конструкция обуславливает надежность и высокую точность измерения. Кодированный световой сигнал обеспечивает защиту от внешних факторов, а электроника позволяет определять не только наличие объектов, но и определять их свойства (габариты, прозрачность и т.д.).

Широкое распространение оптические устройства получили в охранных системах, где используются в качестве эффективных датчиков движения. Вне зависимости от типа, электронные датчики это лучший вариант для современных систем управления и автоматического оборудования.

Высокая точность и скорость измерения обеспечивают надлежащее функционирование оборудования с минимальными отклонениями. При этом большинство электронных измерителей бесконтактные, что в несколько раз повышает надежность устройств и гарантирует длительный срок эксплуатации даже в сложных производственных условиях.

В начало

© 2012-2019 г. Все права защищены.

Все представленные на этом сайте материалы имеют исключительно информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов

eltechbook.ru

Волоконно-оптические датчики: принцип действия, конструкция, разновидности

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.

prodatchik.ru

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.

rusautomation.ru

Оптические датчики: разновидности и принцип работы

Оптические датчики являются устройствами, которые предназначены для осуществления контроля расстояния и положения, определения цветовых и контрастных меток, а также решения других технологических задач. Приборы в основном используются в промышленном оборудовании.

По способу функционирования оптические датчики подразделяются на три вида.

Устройства, отражающие от объекта, способны излучать и принимать свет, который отходит от предмета, расположенного в зоне их действия. Определенное количество света отражается от цели и при попадании на датчик производит установку соответствующего логического уровня. Величина зоны срабатывания во многом зависит от вида устройства, размеров, цвета, кривизны поверхности, шероховатости и других параметров объекта. В своей конструкции приемник и излучатель присутсвуют в одном корпусе.

Оптические датчики, отражающие от световозвращателя, принимают и излучают свет, который исходит от специального рефлектора, и когда происходит прерывание луча объектом, на выходе появляется соответствующий сигнал. Область действия такого устройства зависит от состояния среды, которая окружает датчик и объект (туман, дым, пыль и др.). В данном приборе излучатель и приемник также размещаются в одном корпусе.

К третьему виду относятся оптические датчики, которые имеют раздельно расположенные приемник и источник света. Данные элементы устанавливаются друг напротив друга по одной оси. Предмет, попадающий в район светового потока, вызывает его прерывание, а на выходе, соответственно, изменяется логический уровень.

Световые элементы устройств могут работать на разных длинах волн, к которым относятся инфракрасный или видимый (лазерный) свет, а также другие индикаторы цветовых меток.

В своей конструкции датчик оптический состоит из излучателя, генерирующего свет в различных диапазонах, а также приемника, который различает сигнал, испускаемый первым элементом. Обе составляющие устройства располагаются как в одном, так и в разных корпусах.

В основе работы приборов лежит изменение оптического излучения при появлении в зоне действия непрозрачного объекта. При включении устройства издается оптический луч, принимаемый через рефлектор или отраженный от объекта.

Волоконнооптические датчики имеют разную зону чувствительности, которая расположена в пределах от нескольких сантиметров до сотен метров.

Удобнее всего использовать диффузные устройства, которые самостоятельно срабатывают на объект. В своем большинстве оптические датчики позволяют изменять настройки чувствительности и индексации состояния выхода, производятся также самонастраиваемые модели.

На рынке устройства представлены многими производителями. Например, особой популярностью пользуются приборы, выпускаемые компанией AUTONICS. Они отличаются большим разнообразием, низкой ценой и высокой надежностью.

fb.ru

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.

prodatchik.ru