Фотоэлектрические датчики. Фотодатчики. Устройство, типы и виды фотодатчиков.

Фотоэлектрические датчики (фотодатчики) используются в автоматике для преобразования в электрический сигнал различных неэлектрических величин: механических перемещений, скорости размеров движущихся деталей, температуры, освещенности, прозрачности жидкой или газовой среды и т. д.

По принципу кодирования информации фотодатчики можно разделить на две группы: с амплитудной модуляцией светового потока и с временной или частотной модуляцией. У датчиков с амплитудной модуляцией значение фототока пропорционально световому потоку, зависящему от управляемой (контролируемой) неэлектрической величины. У датчиков с временной или частотной модуляцией фототок изменяется дискретно за счет полного или частичного прерывания светового потока от воздействия неэлектрической величины. Информация об управляемом (контролируемом) параметре кодируется в этих датчиках в виде числа, частоты или длительности импульсов фототока.

Фотодатчик в общем случае состоит из фотоэлектрического чувствительного элемента (фотоэлемента) источника света и оптической системы. В некоторых случаях фотодатчики используют световое излучение объекта управления (контроля) и не содержат источника света (датчики астрономического компаса, температуры, освещенности и др.). Некоторые датчики с целью упрощения конструкции могут не содержать оптической системы.

В большинстве фотодатчиков преобразование входной неэлектрической величины в электрический сигнал осуществляется в два этапа: сначала происходит ее преобразование в изменение одного из параметров светового потока (силы света, освещенности, спектрального состава и т. п.), а затем это изменение преобразуется фотоэлементом в электрическую величину (фототок, падение напряжения, фото-ЭДС и т. д.).

Все фотодатчики по характеру формирования воздействия светового потока на фотоэлемент можно разделить на несколько видов.

1. Фотодатчики, у которых световой поток изменяется за счет перемещения объекта управления (контроля) или изменения размеров объекта (рис. 2-7). В этих датчиках источник света 1 и оптическая система (конденсор) 2 формируют параллельный и равномерный световой поток Ф.. В этом световом потоке помещается деталь З, размеры которой нужно контролировать, или заслонка 4, связанная механически с ОУ и перекрывающая часть светового потока. При изменении размера детали d или при перемещении заслонки х изменяется количество света (лучистой энергии), попадающего на фотоэлемент 5. Для повышения чувствительности световой поток Ф1, содержащий информацию о размерах детали (или о перемещении объекта), собирается оптической системой 6 и фокусируется на светочувствительную поверхность фотоэлемента. По такому принципу работают датчики фотоэлектрических микрометров, датчики длины, площади, деформаций и т. д. На этом принципе основана работа и дискретных фотодатчиков, таких, как фотоэлектрические датчики (преобразователи) «угол — код», датчики частоты вращения, фотосчитывающие датчики с перфолент, перфокарт, фотодатчики конца магнитной ленты, датчики размеров петли магнитной ленты, находящейся в кармане лентопротяжного механизма ЗУ на магнитной ленте, и т. д.

2. Фотодатчики, у которых световой поток попадает на фото элемент после отражения от объекта управления (контроля) (рис. 2-8). В этих фотодатчиках источник света 1 и оптическая система 2 формируют узкий световой луч, который после отражения от объекта З попадает через собирающую и фокусирующую оптическую систему 4 на фотоэлемент 5. Количество отраженного света, попадающего на фотоэлемент, зависит от отражательной способности поверхности объекта (чистоты обработки, блесткости, наличия участков, покрытых краской, и т. п.). Такие фотодатчики используются в читающих автоматах, способных автоматически считывать и кодировать информацию с текстовых и графических документов, в измерителях чистоты поверхности, фотоэлектрических рефлектометрах, гигрометрах и пр.

3. Фотодатчики, у которых световой поток создается объектом управления (контроля) (рис.2-9). В этих фотодатчиках световой поток, излучаемый ОУ, содержит информацию об управляемом (контролируемом) параметре объекта 1. Оптическая система 2 собирает и фокусирует световой поток на светочувствительную поверхность фотоэлемента З. Подобные фотодатчики используются в фотоэлектрических измерителях температуры, дозиметрах лучистой энергии, приборах для эмиссионного спектрального анализа.

В качестве чувствительных элементов в фотодатчиках используются фотоэлементы с внешним, вентильным и внутренним фотоэффектом.

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом

Это вакуумные и газонаполненные фотоэлементы, фотоумножители обладают высокой линейностью световой характеристики (зависимость фототока от светового потока), высокой температурной стабильностью характеристик. Однако они имеют и ряд существенных недостатков, ограничивающих их применение в устройствах автоматического управления и контроля: необходимость в повышенном напряжении питания (сотни и тысячи вольт); хрупкость стеклянного баллона и возможность деформации электродов при механических воздействиях; старение и утомляемость фотоэлементов (снижение чувствительности при сильной освещенности).

Они отличаются Высокой надежностью и долговечностью не нуждаются в источнике питания, имеют малую массу и габариты. Недостатками их являются: сильное влияние окружающей температуры; утомляемость и высокая инерционность, ограничивающая применение при частоте прерывания светового потока в несколько десятков герц.

широко применяются в фотодатчиках различного типа. Они имеют линейную световую характеристику, высокую чувствительность, малую инерционность (частота прерывания светового потока может быть до нескольких килогерц), малые габариты. В зависимости от схемы включения различают вентильный и фотодиодный (фототриодный) режимы работы фотодиодов и фототриодов.

В вентильном режиме фотодиод является генератором фото тока и не нуждается в источнике питания. Фототриод в вентильном режиме можно рассматривать как комбинированный электронный прибор — фотодиод ( п-р -переход цепи база — эмиттер) и собственно триод, усиливающий фототок, который возникает в цепи база — эмиттер под действием светового потока. База фототриода в этом режиме замыкается накоротко с эмиттером. В вентильном режиме фотодиоды и фототриоды используются в фотодатчиках с пропорциональной световой характеристикой (измерение размеров, перемещений, температуры и т. д.).

В фотодиодном режиме к фотодиоду нужно приложить в обратном запирающем направлении внешнее напряжение. У фототриодов в фототриодном режиме в цепь базы подается напряжение смещения от внешнего источника. Фотодиодный (фототриодный) режим включения фотодиодов (фототриодов) используется в основном в фотодатчиках с дискретной световой характеристикой (фотосчитывающие устройства с перфолент, перфокарт, фотоэлектрические преобразователи «угол—код», читающие автоматы и т. д.). В фотодиодном (фототриодном) режиме фотодиоды и фототриоды имеют большую чувствительность, чем в вентильном (выходным сигналом в этом режиме является напряжение).

наряду с фотодиодами и фототриодами находят широкое применение, причем в основном в фотодатчиках с дискретной световой характеристикой. Достоинством фоторезисторов является высокая чувствительность, стабильность параметров, большая надежность и долговечность, возможность работы, как на постоянном, так и на переменном токе, малые габариты. К их недостаткам следует отнести большую инерционность, сильное влияние окружающей температуры, нелинейность световой характеристики, большой разброс параметров у фоторезисторов одной партии.

В качестве источников световой энергии в некоторых фотодатчиках используется сам ОУ (при измерении температуры, освещенности и т.п.). Большинство же фотодатчиков

нуждается в искусственном источнике светового потока. Наибольшее распространение в качестве такого источника в фотодатчиках получили недорогие и простые в эксплуатации

лампы накаливания. С целью повышения их надежности и долговечности рабочее

напряжение снижают на 20—З0 % по сравнению с номинальным.

Для работы в инфракрасной области спектра применяют специальные излучатели в виде штифтов из жаропрочных полупроводниковых материалов. Менее распространены в фотодатчиках газоразрядные лампы. Они имеют высокую светоотдачу и потребляют при этом в 2—З раза меньше энергии, чем лампы накаливания. Однако номенклатура этих ламп ограничена, габариты их больше, чем ламп накаливания.

Оптические системы фотодатчиков служат для перераспределения в пространстве потока лучистой энергии с целью повышения эффективности воздействия объектов управления (контроля) на параметры лучистого потока. Функции оптических систем фотодатчиков весьма разнообразны и требуют применения самых различных линз, зеркал, призм, диафрагм, дифракционных решеток, светофильтров и т. д.

С целью повышения помехоустойчивости в некоторых фотодатчиках размещается предварительный усилитель выходного сигнала фотоэлемента. Для этой цели в настоящее время в основном используют микроэлектронные операционные усилители.

В целом, оценивая фотодатчики , следует отметить их большую универсальность, отсутствие обратного воздействия на объект управления (контроля) — бесконтактность. Недостатками фотодатчиков являются чувствительность к вибрациям, ударам, плохая работа в запыленной, загазованной и влажной среде, помехи от осветительных приборов общего освещения.

Источник

Фотоэлектрические датчики положения — принцип работы и применение

Датчики — в системах автоматического регулирования — чувствительные элементы или устройства, воспринимающие величину контролируемого параметра объекта и выдающие сигнал на устройство сравнения этой величины с заданной величиной, при этом вырабатывается сигнал разности или рассогласования, который через другие устройства воздействует на объект регулирования.

Область применимости фотоэлектрических датчиков положения охватывает широкий промышленный спектр. Датчики данного типа помогают решать задачи, связанные с управлением технологическими процессами производства, где необходимо осуществлять обнаружение, позиционирование или просто подсчет тех или иных объектов.

В силу своей универсальности, фотоэлектрические датчики находят сегодня самое обширное применение там, где необходима промышленная автоматизация. Они отличаются возможностью проводить бесконтактные измерения и подсчет объектов, и выводить соответствующую информацию в виде цифрового сигнала, который легко воспринимается и обрабатывается любым современным контроллером.

Цифровые выходы обычно содержат PNP или NPN-транзисторы либо просто реле. Питание осуществляется постоянным (или сетевым) напряжением от 10 вольт в пределах 240 вольт.

Два корпуса — излучатель и приемник, составляют одно устройство. Они устанавливаются по разные стороны от места, где предполагается прохождение объекта. Приемник статично фиксируется напротив излучателя так, что непреломленный луч от излучателя всегда попадает в детектор приемника.

Рабочий диапазон (размеры фиксируемого объекта) практически неограничен, причем определяемые объекты могут быть как прозрачными, так и непрозрачными.

Если объект непрозрачный, то луч просто перекрывается, блокируется объектом. Если же объект прозрачный, — луч отклоняется или рассеивается так, что приемник его не видит, пока объект не покинет место его обнаружения. Так обеспечивается высокая надежность и точность работы фотоэлектрического датчика, основанного на принципе прерывания луча. Данные датчики способны работать на расстояниях между излучателем и приемником от нескольких сантиметров до десятков метров.

Принцип отражения луча от рефлектор

Датчик состоит из двух частей — излучателя и рефлектора. Приемник и излучатель находятся в одном корпусе, который неподвижно крепится с одной стороны исследуемого места, а с другой стороны устанавливается рефлектор (отражатель). Различные отражатели позволяют использовать датчики такого типа на разных расстояниях, кроме того чувствительность приемника может иногда регулироваться.

Данные датчики также подходят для обнаружения стекла и других хорошо отражающих поверхностей. Как и в случае с датчиками, работающими по принципу прерывания луча, датчики на основе рефлектора позволяют измерять габаритные размеры объектов или просто считать их.

Поскольку корпус здесь один, то прибор в целом требует меньше места для установки, иногда это является важным преимуществом, особенно для систем автоматизации требующих компактности. Данные датчики способны работать на расстояниях между корпусом и рефлектором от нескольких сантиметров до нескольких метров.

Принцип отражения луча от объекта

Все устройство представляет собой одиночный корпус, содержащий излучатель и приемник, способный реагировать даже на рассеянный отраженный от объекта луч. Модели датчиков данного типа имеют преимущественно небольшую стоимость, занимают меньше всего места для установки, им не нужен рефлектор.

Достаточно статично закрепить датчик недалеко от исследуемой зоны, и настроить его чувствительность в соответствии с типом поверхности обнаруживаемого объекта. Датчики данного типа подходят для работы на небольших расстояниях до исследуемых объектов, порядка нескольких десятков сантиметров, например с продуктами, движущимися на конвейерной ленте.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Фотоэлектрические датчики: назначение и устройство. Принцип работы фотоэлектрических датчиков

В сферах промышленности активно используются такие специализированные устройства как фотоэлектрические датчики, которые позволяют совершать наиболее точное обнаружение поступающего объекта без необходимости физического контакта. Они применяются при установке различного оборудования, а также бывают разных типов и отличаются принципом действия. Можно выбрать подходящее устройство по его свойствам, а также, учитывая ситуацию, в которой будет применяться подобный датчик.

Использование различных фотоэффектов

Во время своей работы https://techtrends.ru/catalog/fotoelektricheskie-datchiki/» target=»_blank»>фотоэлектрические датчики используют три возможных фотоэффекта, которые зависят от того, как изменяются свойства предмета при наличии изменений в уровне освещения.

1. Эффекты бывают внешними, когда под воздействием получаемой световой энергии электроны вылетают из катода лампы.
2. Внутренние эффекты отличаются тем, что сопротивление полупроводника зависит от уровня освещенности.
3. Вентильный эффект появляется, когда возникает движущая сила, которая зависит от освещения.

Виды устройств

Можно встретить фотоэлектрические датчики аналогового или дискретного вида.

1. У аналоговых выходной сигнал может меняться пропорционально имеющемуся уровню освещения. Обычно такие устройства применяют при создании элементов освещения, управляемых автоматически.
2. Дискретные устройства изменяют значение на диаметрально противоположный показатель при достижении определенного уровня освещенности. Они могут выполнять всевозможные задачи на действующей технологической линии и широко используются в промышленности.

Оптический бесконтактный прибор регулирует изменение поступающего светового потока в рабочей области и может срабатывать на большом расстоянии, реагируя на изменение объектов, их отсутствие или присутствие. Конструкция этого прибора имеет две части, которые отвечают за правильное функционирование — это приемник и излучатель. Они могут находиться как в одном подходящем корпусе, так и в разных.

Группы устройств

В зависимости от используемого метода работы, фотоэлектрические датчики принято делить на четыре группы:

1. Работающие по принципу пересечения луча. В этом случае излучатель и работающий с ним в паре приемник имеют два отдельных корпуса, поскольку этого требует технология работы. Два прибора устанавливаются друг напротив друга, а при взаимодействии излучатель посылает луч, который воспринимается приемником. Если какой-либо объект пересекает этот луч, то прибор тут же посылает соответствующий сигнал.
2. Датчики с принципом отражения от рефлектора. Подобные приборы характеризуются тем, что у них излучатель и приемник располагаются в одном корпусе. Помимо этого агрегата, также используется специальный рефлектор, который устанавливается напротив прибора. Во время работы устройство посылает луч, он отражается от рефлектора и воспринимается приемником. Специальный поляризационный фильтр позволяет настроить работу оборудования так, чтобы устройство воспринимало только отражение от рефлектора и ничего лишнего. Рефлекторы бывают разными, поэтому их выбирают, исходя из имеющейся ситуации — дальности расстояния и особенностей монтажа. Если во время работы луч перестает отражаться и поступать к приемнику, значит, на линии появился какой-то объект, и сигнал об этом устройство передает дальше.
3. Приборы с отражением света от объекта. У этих агрегатов приемник и сопутствующий ему излучатель также располагается в одном корпусе. В этом случае работа строится так, что рефлектор не нужен, поскольку его роль выполняют различные объекты — луч отражается от них, попадает в приемник, и датчик посылает нужный сигнал.
4. Датчики с фиксированным отражением. По сути, это усовершенствованный вариант предыдущего варианта оборудования. Приборы работают по такому же принципу, но они более чутко улавливают и определяют состояние объекта. Например, при помощи подобных датчиков можно обнаружить вздувшуюся упаковку на линии или пакет, наполненный не до конца.

Также датчики могут делиться не только по принципу работы, но и по своему назначению. Существуют приборы общего назначения и специализированные. Вторые предназначены для выполнения более узких задач и решения конкретных вопросов. Например, они могут распознавать наличие этикетки, контрастной границы и других подобных элементов. Все датчики выполняют задачу обнаружения каких-либо объектов на расстоянии, и в зависимости от особенностей элемента, это расстояние может значительно варьироваться.

Характеристики датчиков

Обычно производители сопровождают свои устройства специальными техническими паспортами, в которых с точностью прописываются все необходимые характеристики, помогающие правильно выбрать датчик. Это весьма удобно, поскольку покупателю не нужно производить какие-то точные расчеты, чтобы подобрать подходящий прибор, а достаточно только соотнести его параметры с особенностями места установки и конкретной ситуацией, в которой будет применяться устройство.

1. Практическая способность обнаружения является главной характеристикой для таких элементов, поскольку это означает, в каких условиях датчик сможет выполнять свою работу, также на этот показатель влияет заполнение угла зрения, оно может быть полным или неполным.
2. Дальность действия – еще один важный параметр, он означает, на каком расстоянии прибор сможет действовать. Поскольку у всех датчиков оно может быть разным, встречаются варианты, которые работают на расстоянии нескольких сантиметров или устройства, рассчитанные на дальность в метрах.
3. Ширина луча визирования также играет важную роль, поскольку от нее напрямую зависит разрешение датчика и то, с какими объектами он может работать.
4. Время реакции также имеет значение при работе, здесь учитывается, с какой скоростью датчик будет обрабатывать объекты, а также его время включения и выключения. Необходимо, чтобы устройство успевало охватить все поступающие предметы, успевая за их движением по линии.
5. Напряжение питания учитывается при выборе, поскольку внедрение датчиков в систему не должно оказывать серьезного влияния на ее работоспособность, если устройства слишком мощные, то следует заменить их вариантами, которые потребляют меньше энергии, чтобы они могли эффективно работать и выполнять свои функции, не нарушая общую деятельность линии производства.
6. Также при выборе стоит учесть углы наведения датчика, особенности его присоединения и монтажа, габариты и вес, уровень защищенности — все это тоже имеет значение при работе устройства.

Выбирая фотодатчик, лучше обратить внимание на известных производителей, которые уже заслужили определенную репутацию на рынке. Нужно, чтобы устройство было максимально безопасным и обладало простым в управлении интерфейсом — это позволит сделать работу с ним комфортной и удобной. Также корпус датчика должен быть хорошо защищен от попадания пыли и влаги — это продлит срок его службы. Присоединительное место у него должно быть стандартным, чтобы не возникло проблем с монтажом.

1. Любая информация, переданная Сторонами друг другу при пользовании ресурсами Сайта (http://www.techtrends.ru), является конфиденциальной информацией.
2. Пользователь дает разрешение Администрации Сайта на сбор, обработку и хранение своих личных персональных данных, а также на рассылку текстовой и графической информации рекламного характера.
3. Стороны обязуются соблюдать данное соглашение, регламентирующее правоотношения связанные с установлением, изменением и прекращением режима конфиденциальности в отношении личной информации Сторон и не разглашать конфиденциальную информацию третьим лицам.
4. Администрация Сайта собирает два вида информации о Пользователе:

— персональную информацию, которую Пользователь сознательно раскрыл Администрации Сайта в целях пользования ресурсами Сайта;
— техническую информацию, автоматически собираемую программным обеспечением Сайта во время его посещения.

Источник