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.
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 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. 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. Есть данные, что передатчики и приемники разных фирм не подходят друг к другу.
Такие датчики на производстве практически не применяются, т.к нет таких расстояний. А применяются они в основном в охранных системах и там, где воздух может быть загрязнен (пыль, газ).
Отдельный вид таких датчиков — щелевые (вилкообразные). Они удобны тем, что хоть передатчик и приемник разнесены, но расположены фактически в одном корпусе. Когда в щель между излучателем и приемником попадает активатор (предмет), датчик срабатывает.
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 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:
- попадание света нужной интенсивности,
- включение индикатора активности
- 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.
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.
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.
Оптоволоконные
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? То-то и оно!
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.
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.
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.
Источник: Александр/СамЭлектрик.ру
