Оптические и фотодатчики. Разновидности и принципы работы

Привет, друзья! Сегодня настало время рассказать про широкий круг электронных датчиков, которые используются в промышленной автоматике. Это – оптические датчики.

Постараюсь популяризировать эти электронные устройства по порядку. Теория, классификация, практика, реальные модели датчиков и производители. На эту тему у меня есть несколько статей, вот основные – разновидности датчиков и схемы включения датчиков. Другие ссылки буду давать по ходу.

Будет много фотографий, которые делал я сам. И фактов, которые знаю только я.

Для начала, чтобы понимать, о чём речь, и в какой области знаний мы сейчас очутились –

 

Название и терминология применительно к оптическим датчикам

Как видно сразу из названия, в этих датчиках используется оптика, а значит – световое излучение различных диапазонов. То есть датчик, реагирующий на свет. И, разумеется, выдающий на факт обнаружения света какой-то сигнал. В английской терминологии оптические датчики часто называют PhotoCell Sensor, или Light Sensor, что означает фотодатчик, или световой датчик.

У нас тоже, кроме распространенного “оптического“, те же устройства называют фотодатчиками, или фотоэлектрическими датчиками.

Простейший и самый распространенный вариант такого датчика – датчик освещенности, который дискретно реагирует на уровень освещенности, и выдает сигнал на включение освещения с наступлением сумерек (основное применение)

Фотодатчиков придумано великое множество, и я попробую в своей статье популяризовать и классифицировать это многообразие.

Работа оптических датчиков

Активация. Вот ключевое слово, которое должно использоваться при описании работы любых датчиков. В нашем случае активация (или деактивация, но об этом позже) происходит, когда свет, попадающий на вход датчика, обладает достаточной интенсивностью.

Логика работы такова, что когда свет попадает в датчик беспрепятственно, он будет активирован. А когда этот свет прерывается барьером (человек, заготовка, деталь станка) – датчик деактивируется.

Внимание! Не путайте! Активен – совсем не значит, что у него контакты замкнуты, и есть напряжение на выходе! Работа схемы обнаружения света и выходного ключевого элемента могут различаться! Возможно, что свет прерывается, и это как раз и служит сигналом активности. Всё зависит от конкретного применения.

Оптические датчики (так же, как и индуктивные датчики приближения) являются бесконтактными, то есть механического контакта с наблюдаемым объектом (активатором) не происходит. В отличии от (например) концевых выключателей и датчиков давления.

В большинстве случаев для повышения помехоустойчивости используют свет не обычного спектра, а излучение лазерного источника света (как правило, красного цвета). Такой источник прост в изготовлении, излучение легко фокусируется в тонкий луч. А благодаря тому, что излучение в видимой части диапазона, положение датчика просто настроить в пространстве.

А вот один из раритетных датчиков с обычной лампочкой накаливания, который я застал при его жизни. Излучатель – лампочка накаливания на 6 В с линзой. Приемный элемент – фотодиод. Далее – усилитель и триггер Шмитта на транзисторах.

Этот датчик стоит в производственной линии 1980 года, купленной за нефтедоллары в Швейцарии.

Современные датчики реагируют только на “свой” участок спектра, что позволяет им чётко работать в условиях помех и плохой видимости.

Помехой может быть солнечный свет или искусственное освещение, пыль, дым.

В случае плохого ухода помехой может быть обыкновенная пыль и грязь:

На оптических датчиках в большинстве случаев существует переключатель “Dark On / Light On”. Что он означает? Он инвертирует логику работы. При “Dark On” датчик активируется тогда, когда на его вход свет не попадает, то есть на входе – темнота. При попадании света датчик деактивируется, то есть его выход приходит в нормальное состояние. В режиме “Light On” датчик активируется тогда, когда его вход засвечивается.

Есть модели, где присутствует таймер – выходной сигнал появляется через время после активации (срабатывания).

Поскольку в датчике присутствует пороговый элемент, нужно, чтобы он срабатывал чётко. При этом используется свойство гистерезиса, снижающее дребезг (частые изменения сигнала в “зыбкой” зоне). Чтобы облегчить настройку, сейчас производители в корпусе датчика устанавливают не только индикатор активации но и индикатор стабильного уровня сигнала. Если он горит, то это указывает, что обнаружение происходит стабильно, с достаточным уровнем сигнала, а не на краю диапазона чувствительности.

 

Различия по способу передачи света

Это – основные различия, по которым классифицируются дискретные оптические датчики. Различие – в способе “доставке” света на входной оптический элемент датчика.

Самый надежный –

С раздельным приемником и передатчиком

Такие датчики менеджеры по продажам называют барьерными, или с пересечением луча. Хотя, я это считаю некорректным – все дискретные датчики работают с пересечением луча каким-то барьером.

Это самый надежный тип датчика в смысле дальности и помехоустойчивости. Во всех остальных датчиках передатчик и приемник излучения находятся в одном корпусе, а в этом могут быть разнесены на десятки метров.

То есть, передатчик установлен в одном месте, и к нему подведено питание. Он излучает, не выполняя больше никаких функций и не имея настроек. А приемник установлен на отдалении, и там может регулироваться чувствительность и другие параметры и функции.

Излучатель и приемник должны быть из одной пары (комплекта), хотя могут приобретаться отдельно. Передатчики и приемники разных фирм не подходят друг к другу (но это не точно).

Такие датчики на производстве применяются там где нужно контролировать большое расстояние. Также – в цепях безопасности, в охранных системах и там, где воздух может быть загрязнен (пыль, газ).

Есть вариант и в бытовом применении – видел барьерные фотодатчики в лифте:

Пока какая-то одежда или часть тела пересекает траекторию луча датчика – никто никуда не поедет.

 

С рефлектором (рефлекторный)

Эти датчики совмещают источник (передатчик) и приемник излучения в одном корпусе.

Свет отражается от рефлектора, и попадает обратно. Поэтому некоторые производители называют такие датчики ретрорефлекторными (обратное отражение).

Кстати, на фото видны переключатель Dark / Light On, регулятор чувствительности, и индикаторы стабильности и срабатывания.

А вот хорошее фото, видна оптика передатчика и приемника:

Такой датчик – это обязательно система. Для примера – конвейер, и система датчик – отражатель контролирует прохождение заготовки:

Рефлектор может также называться отражателем, световозвращателем или катафотом:

Максимальное рабочее расстояние, на котором обеспечивается стабильная работа – у разных моделей от 5 до 10 м. Теоретически можно и больше, но практически очень трудно обеспечить стабильную работу – малейшее смещение луча из-за вибрации или ослабление света из-за пыли, и всё.

Датчики рефлекторного типа на производстве используются чаще всего.

 

Диффузный

Этот тип датчика – с отражением от объекта.

У него самая малая дальность действия (до полуметра), зато есть важное свойство – при должной настройке он детектирует появление объектов в зоне действия. Ведь на каждую коробку или бутылку катафот не поставишь!

Объект может быть на оси действия датчика, на расстоянии. По мере приближения датчик, как пороговый элемент, срабатывает.

В простейшем случае регулировка одна – чувствительность.

В крутых датчиках несколько кнопок или регуляторов, и его можно программировать и обучать:

 

 

Различия по конструкции

Тут просто. Если не рассматривать датчики специального исполнения (например, щелевые), то оптические датчики могут быть двух типов – в прямоугольном и в цилиндрическом корпусе.

Фото прямоугольных я привёл достаточно, а вот цилиндрические:

 

 

Подключение и виды выходного сигнала

Здесь главная путаница. Иногда трудно понять, что такое Нормально Открытый (НО), а что такое Нормально Закрытый (НЗ) выход датчика. Те  кто читал мои предыдущие статьи (ссылки в начале), тот прекрасно знает, что это. Но применительно к оптическим датчикам нелишне повториться.

Надо увязать три события:

1. попадание света нужной интенсивности,
2. включение индикатора  активности
3. переключение выходного элемента (транзистор или реле)

Путаница возникает, когда под активностью (срабатыванием) понимают попадание света, либо попадание объекта. И что при этом происходит – зависит от переключателя Dark / Light и типа выхода – НО или НЗ.

В НЗ датчиках индикатор может гореть, когда контакт замкнут, а может – когда датчик активен (Это разные события!). Зависит от производителя.

По подключению датчиков статья у меня есть (ссылка в начале), вот ещё. Как правило, схема подключения приведена на корпусе:

В общем, нужно внимательно читать инструкцию, и всё проверять на практике.

 

Специфические датчики

Световая решетка

Это две линейки, расположенные точно напротив. На одной расположены светодиоды, на другой – фотодиоды. Таким образом, анализируя перекрытие пар свето/фотодиод, можно измерить с некоторой погрешностью геометрические данные объекта. Например, высоту или ширину объекта.

Световая решетка подключается к специализированному контроллеру, которые дает данные на главный контроллер.

 

Световой барьер

Он используется в основном для безопасности, для недопущения людей, или неправильной формы предметов в контролируемую зону.

По безопасности читайте мою статью на блоге. А также в журнале Электротехнический рынок.

Пара фоток, чтоб было понятно, о чем речь:

Это довольно сложная система, в которую кроме того ещё входят минимум 2 рефлекторных датчика (на фото – 4) и свой контроллер.

 

Лазерные

Это оптические датчики, в которых есть возможность измерения расстояния до объекта.

Принцип действия – измерение времени прохождения луча. Как в радиолокации.

 

Щелевые датчики

Отдельный вид датчиков с приемником и передатчиком – щелевые датчики (вилкообразные). Они удобны тем, что хоть передатчик и приемник разнесены, но расположены фактически в одном корпусе, в конструкции которого есть щель.

Когда в щель между излучателем и приемником попадает активатор (предмет), датчик срабатывает. Щелевые датчики удобны там, где объект, перемещение которого детектируется, имеет небольшую фиксированную толщину. Такая конструкция очень похожа на принцип действия инкрементного энкодера.

 

Оптоволоконные, или волоконно-оптические

Мне встречались такие датчики в диффузном исполнении, и с приемником+передатчиком.

Смысл в том, что оптические элементы и электронная схема разнесены в пространстве, а свет передается посредством оптоволокна (пластиковый фибер).

Видите красную точку? Это выход волоконно-оптического датчика.

В отдалении на расстоянии 4 метра стоят такие блоки оптоволоконных усилителей (для трех датчиков):

Такую систему ставят там, где очень стесненное пространство (как настраивать?) и там, где электроника работать не любит – вибрация, влажность, высок риск повреждения.

Ещё несколько фото датчиков с оптоволоконным кабелем:

 

 

 

Эксперт компании LAN-ART по оптическим передатчикам — Березкин Е.Н.

Комментирует специалист, эксперт компании LAN-ART по оптическим передатчикам — Березкин Евгений Николаевич: “Сегодня в каждом современном доме существуют оптические приемники и передатчики, работающие по оптоволокну. Оптический передатчик сетей кабельного телевидения (КТВ) служит для формирования оптического сигнала, промодулированного электрическим телевизионным сигналом с диапазоном частот группового ТВ-сигнала 47… 862 МГц. В таких передатчиках используют лазеры, в приемниках – фотодиоды. В системе используется оптическое излучение с длиной волны 1100-1600 нм. “

 

Аналоговые

Аналоговыми эти датчики являются по виду выходного сигнала. Принцип работы может быть как у лазерного, или просто измеряется интенсивность отраженного сигнала.

В данном случае – аналоговый сигнал, соответствующий расстоянию до поверхности разматываемой катушки, подается на аналоговый вход контроллера (АЦП). И контроллер рассчитывает диаметр катушки.

Этот же датчик приведен в самом начале статьи. У него также есть и дискретный выход, который можно запрограммировать, и он сработает при определенном расстоянии.

 

Оптический датчик пламени

Этот датчик стоит особняком – он воспринимает свет от пламени сгораемого газа либо другого топлива. Используется в промышленных котельных, где нужна повышенная безопасность.

Вспомнил. Моя статья про модернизацию котельной, где я установил устройства плавного пуска вместо контакторов.

Вот такая есть модель:

Или такой:

Принцип действия – как у радиолампы.

Эй, кто-нибудь ещё помнит, что были аналоговые телевизоры на радиолампах?! Статья про то, как я включил старый ламповый телевизор.

 

Неисправности и уход за оптическими датчиками

Так же как и оптика зеркальных фотоаппаратов – нужна чистка, аккуратная протирка и проверка механической целостности.

Я для чистки оптики использую салфетки, смоченные в воде с добавлением ничтожного количества нейтрального моющего средства. Например, для посуды. Потом вытираю сухой салфеткой. Главное – чтобы не попал абразив.

Ещё особенность. В оптических датчиках излучающий элемент – как правило, светодиод. Он имеет свой ресурс работы, и со временем интенсивность его излучения падает. Поэтому неудивительно, что раз в несколько лет приходится настраивать чувствительность датчиков, такова селяви…

 

Скачать книгу про датчики

• Алейников А.Ф. Гридчин В.А. Цапенко М.П. Датчики / Алейников А.Ф. Гридчин В.А. Цапенко М.П. Датчики. Рассмотрены все виды датчиков - теория и практика, pdf, 13.21 MB, скачан: 5112 раз./
• Энкодер: мастхэв производственной линии / Статья в журнале "Электротехнический рынок" от СамЭлектрик.ру. Разновидности и примеры реального применения энкодеров. Приведены описания реальных узлов оборудования, в которых применяются энкодеры, pdf, 1.15 MB, скачан: 1963 раз./

 

Всё в статью не вместилось, есть ещё много фото и интересных историй про оптические датчики, но статья не резиновая)))

Поэтому задавайте вопросы и делитесь опытом и фото в комментариях, буду рад!

А ещё буду рад увеличению количества подписчиков и активности в моей группе ВК! Заходите, там самая оперативная информация, которая иногда даже не появляется на блоге.

Также жду новых читателей и подписчиков на моем канале Яндекс.Дзен. Кстати, вот интересная статья в тему на Дзене – разновидности и примеры реального применения энкодеров. Приведены описания реальных узлов оборудования, в которых применяются энкодеры.