Фотоэлектрические датчики

Фотоэлектрические датчики применяются в закрытых помещениях для автоматизации различных видов технологических процессов в промышленности и на производстве, а также для выполнения широкого перечня других задач. Основной функцией устройства является бесконтактное получение информации о состоянии находящегося перед ним объекта: определение соответствия заданным параметрам скорости его перемещения, размеров, степени прозрачности и других данных. Полученные при помощи отраженного светового пучка данные преобразуются в электрический сигнал, который поступает на контроллер. В зависимости от принципа кодирования светового сигнала, примененного в конкретной модели датчика (амплитудной, временной или частотной модуляции), требуемый параметр отображается в виде частоты, продолжительности или количества световых импульсов.

Особенности конструкции

Основными элементами конструкции любого фотоэлектрического датчика являются:

• Излучатель (источник светового луча). В качестве этого элемента применяют светодиод – полупроводник, излучающий свет с определенной длиной волн или цветом при прохождении через него электрического тока. Применяются инфракрасные светодиоды, позволяющие отслеживать направление луча, создающие больше света и выделяющие меньше тепла по сравнению с другими типами, а также желтые, синие и красные, оптимальные для применения в ситуациях, когда необходимо отслеживать цвет или оттенок наблюдаемого объекта. Конструкция излучателей отличается прочностью, устойчивостью к механическим повреждениям и позволяет выполнять работы в широком температурном диапазоне окружающей среды.
• Приемник светового сигнала (фотодетектор). Фототранзистор или фотодиод чувствительный к длине волн света и его интенсивности. В зависимости от типа получаемых воздействий изменяет параметры проходящего через него тока.
• Линза – предназначена для ограничения области принимаемого света, а также увеличения расстояния обнаружения исследуемого объекта.
• Выходное устройство с дискретным или аналоговым выходом, осуществляющее переключение в пользовательской цепи. Применяются несколько типов таких устройств (электромеханическое реле, полевой транзистор, симистор и другие), каждое из которых имеет свои преимущества, недостатки и, соответственно, сферу применения.

Особенности конструкции определяются сферой применения и требованиями к прибору. Так, датчики, предназначенные для определения температуры или освещенности (например, датчики, управляющие автоматическим включением и отключением осветительных приборов), могут не оснащаться световым излучателем, а некоторые упрощенные модели не имеют линз.

В большинство датчиков для обеспечения искусственного светового потока применяются лампы накаливания, с целью обеспечения более долгого срока службы работающие на напряжении 70-80% от номинального. В качестве альтернативы допускается применение более экономичных и эффективных газоразрядных ламп, однако, в силу больших габаритов и меньшего ассортимента применение такого источника света не настолько популярно.

Для предотвращения искажения сигнала в результате воздействия помех в некоторых моделях устройств размещается микроэлектронный операционный усилитель выходного сигнала.

Основные разновидности фотодатчиков

В зависимости от способа передачи воздействия светового луча на фотодетектор фотодатчики подразделяют на несколько видов.

• Фотоэлектрические датчики, воспринимающие изменение характеристик светового потока при передвижении исследуемого объекта, а также при изменении его формы или размеров. Конструкция таких устройств предусматривает создание параллельного и равномерного светового излучения при помощи излучателя и линзы. Исследуемый объект или связанная с ним механическим способом заслонка размещаются в световом потоке. В случае изменения размера или месторасположения наблюдаемого элемента, а также при изменении положения заслонки изменяется количество света, попадающего на приемник светового сигнала (фотодетектор). Для получения более точных данных о происходящих изменениях перед попаданием на фотодетектор световой поток предварительно проходит через оптическую систему. Такой тип устройств оптимален при необходимости выполнения работ связанных с измерением геометрических параметров наблюдаемого объекта (длины, ширины, площади, высоты), а также частоты вращения детали и при считывании информации с перфолент или перфокарт.

• Фотоэлектрические датчики, работающие по принципу анализа изменений отраженного от наблюдаемого объекта светового луча. Сформированный светодиодом луч, проходя через оптическую систему, сужается и попадает на поверхность объекта. Отраженный свет проходит через фокусирующую линзу и поступает на приемник светового сигнала. Количество поступившего света зависит от особенностей поверхности исследуемого объекта: качества и вида обработки, отражающей способности, наличия защитных или декоративных покрытий и других факторов. Такие устройства применяются для определения особенностей поверхности объекта, а также считывания и шифрования графической информации (текстов, изображений) с бумажных и других носителей.

• Фотодатчики, принимающие световой поток, создаваемый самим исследуемым объектом. Излучаемый поток света фокусируется линзой и поступает на датчик. Применяются для определения характеристик излучения, создаваемого контрольно-измерительными приборами (оптико-электронными измерителями температуры, атомно-эмиссионными спектральными анализаторами и другими).

Виды фотоэлементов и принцип их работы

• Фотоэлементы с внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) преобразовывают энергию светового излучения в электрический сигнал при помощи вакуумных или наполненных газом стеклянных колб с напылением на части внутренней поверхности тонкого металлического слоя, выполняющего функцию катода и предназначенного для получения электрического тока малой мощности. В роли анода выступает размещенная внутри колбы проволочная петля или металлический диск, предназначенный для улавливания фотоэлектронов. К катоду и аноду подключается внешний источник электрического тока. При воздействии излучения на катод часть электронов получает дополнительную энергию, после чего они попадают в вакуумную среду колбы и, благодаря возникшему в результате подключения к электродам источника питания электрическому полю, направляются к аноду. Величина возникающего фототока прямо пропорциональна силе светового потока. К недостаткам таких устройств относится невысокая прочность стеклянной колбы, вероятность повреждения электродов и снижение чувствительности фотоэлементов при длительной эксплуатации.

• Вентильные фотоэлементы (с запорным слоем) состоят из нижнего металлического электрода, электронных и запирающего слоев, а также верхнего полупрозрачного металлического электрода. Все элементы помещены в пластиковый корпус с отверстием, пропускающим световой поток. При прохождении светового потока и попадании его на фотослой проводник и полупроводник приобретают разноименные заряды. Основными преимуществами таких элементов является устойчивость к механическим повреждениям, высокая чувствительность и отсутствие потребности в источнике питания. К недостаткам относится инерционность, чувствительность к температуре окружающей среды и относительно невысокий срок службы.

• Фотодиоды – полупроводниковые диоды, способные изменять свои свойства под воздействием светового потока. При отсутствии воздействия света диод обладает стандартными характеристиками. В зависимости от схемы расположения в электрической цепи фотодиод может выполнять различные функции. При работе в вентильном режиме потребность в дополнительном источнике питания отсутствует, а сам диод совмещает функции фотодиода и триода, являясь усилителем фототока, возникающего под воздействием светового излучения. Такой режим применяется для выполнения измерений размеров исследуемого объекта, его перемещений и температуры. Для работы в фотодиодном режиме требуется применение внешнего источника питания, при этом диод приобретает большую чувствительность, что делает возможным его применение для считывания информации с перфокарт, перфолент и других носителей.

• Фоторезисторы – при воздействии светового потока на фотоэлемент возрастает их проводимость и увеличивается сила тока в цепи. Такие элементы компактны, прочны, высокочувствительны, а также могут работать и на переменном, и на постоянном токе. В то же время они достаточно инерционны и подвержены температурным воздействиям.

Возможные ограничения и область применения

В процессе монтажа, настройки и эксплуатации датчиков следует придерживаться ряда требований и рекомендаций:

• Обеспечить защиту места установки датчика от воздействия лучей ярких источников света, а также люминесцентных ламп.
• Во избежание возникновения помех использовать кабель минимально возможной для конкретных условий установки длины.
• При установке учитывать, что расстояние срабатывания датчика зависит от материала, формы поверхности и габаритов объекта.
• В процессе монтажа датчиков соблюдать необходимое расстояние от поверхности установки, исключающее возможность отражение света от поверхности.
• Избегать прокладки кабеля датчика в одном канале с высоковольтным кабелем.
• Очищать оптический элемент сухой тканью, не применяя щелочей и кислот.

Помимо промышленного производства фотоэлектрические датчики применяют и для выполнения широкого перечня других задач:

• Управления производственным оборудованием и станками.
• В качестве одного из основных элементов пропускной системы метрополитена.
• Контроля площади лекал и других заготовок сложной геометрической формы.
• В процессе плазменной резки металла для считывания заданной программы с перфокарты.
• При выполнении ряда процессов в типографии – подсчет листов, контроль правильности резки и укладки, а также управление работой станка.

Также фотоэлектрические датчики используются в современных наукоемких отраслях (робототехнике и других).

Основные характеристики фотоэлектрических датчиков

При выборе устройства для конкретных целей и условий эксплуатации следует руководствоваться прилагаемой производителем документацией, в которой указаны все необходимые характеристики прибора:

1. Практическая способность обнаружения наблюдаемых объектов – одна из основных характеристик, определяющая условия, в которых устройство сможет полноценно выполнять свои функции.
2. Максимальное и минимальное расстояние до объекта. В зависимости от характеристик конкретной модели этот показатель может составлять от 5 мм до 250 м. Подбирается в зависимости от специфики применения.
3. Ширина луча, влияющая на разрешение датчика и определяющая параметры объектов контроля.
4. Время реагирования, скорость включения, выключения и обработки объекта. Особенно такой параметр важен при использовании датчиков на конвейерных линиях с большой скоростью движения и количеством обрабатываемых объектов.
5. Энергопотребление датчиков. Работа устройств не должна оказывать чрезмерной нагрузки на систему электроснабжения и влиять на работу другого применяемого на предприятии оборудования.

Также стоит обратить внимание на размеры и вес устройств (подойдут ли они для эксплуатации в конкретных условиях или потребуют выполнения дополнительных работ при установке), сложность монтажа, требования к температурному режиму и влажности в помещении и другие факторы.