Какой датчик расстояния подвержен влиянию солнечного света

Принцип работы оптического датчика

Задача определения наличия объекта, несмотря на кажущуюся простоту решения, до сих пор остаётся важной и зачастую нетривиальной для многих отраслей промышленности. На малых расстояниях с этим справляются бесконтактные индуктивные и емкостные датчики, а также различные варианты контактных выключателей. Однако нередки случаи, когда задача требует обнаружить объект на больших дистанциях – до нескольких десятков метров. В этом случае на помощь приходит ещё один вид бесконтактных датчиков – оптические датчики.

Оптические датчики, также называемые оптоэлектронными или фотоэлектрическими – совокупное название огромного класса устройств, которые объединены общим принципом работы и основными элементами конструкции. В зависимости от задачи те или иные элементы конструкции, а также габариты датчика могут различаться кардинально – от крохотного цилиндра диаметром не более миллиметра до громоздких и тяжелых устройств, способных работать на дистанциях более ста метров.

В общем случае каждый оптоэлектронный датчик состоит из двух основных компонентов – излучателя и приёмника. В свою очередь, излучатель обычно включает в себя:

• — излучатель (светодиод, лазер, либо иной вариант)
• — генератор
• — настроечный элемент (потенциометр/кнопка/винт)
• — индикатор работы

Приёмник же является более сложным устройством и включает:

• — фотодиод
• — демодулятор
• — триггер Шмитта
• — электронный элемент переключения
• — настроечный элемент (потенциометр/кнопка/винт)
• — индикаторы работы и срабатывания

В отдельных случаях приёмник датчика может также включать в себя таймер, обеспечивающий возможность настройки задержки срабатывания, либо более сложные варианты электроники, например, счётчик, который вызывает переключение выходного сигнала датчика только после последовательного обнаружения определенного количества объектов. Также весьма распространена функция индикации стабильности сигнала, которая позволяет определить нестабильный уровень освещённости приёмника, например, в случае, когда объект находится на границе зоны чувствительности.

Принцип действия оптических датчиков в общем случае сводится к реакции фотодиода приёмника на свет от излучателя, что вызывает при достижении определенной интенсивности освещения срабатывание триггера приёмника и переключение выходного сигнала. В основном применяются светодиодные либо лазерные источники света красного спектра, что обеспечивает устойчивость датчика к помехам. Кроме того, точная настройка электроники датчика на работу с определенной длиной волны света позволяет существенно снизить влияние посторонних засветок на стабильность срабатывания.

По конструкции оптические датчики можно подразделить на одно- и двухкомпонентные. Приёмник и излучатель однокомпонентного датчика размещены в едином корпусе, в то время как для двухкомпонентных датчиков эти элементы разнесены по разным корпусам. Основных типов же датчиков три:

• барьерные или однонаправленные – изготавливаются по двухкомпонентной схеме и срабатывают на пересечение объектом луча, который проходит от отдельно стоящего излучателя к приёмнику. Для датчиков такого типа характерна наибольшая среди данного класса устройств дальность действия, которая может достигать более 100 метров, а также высокая надёжность срабатывания в силу простоты принципа действия. Помимо прочего, данные датчики в отдельных случаях способны работать в средах с высоким уровнем загрязнённости.

• рефлекторные или отражательные – имеют однокомпонентную схему и работают на отражение луча излучателя от установленного отдельно отражателя. Зачастую подобные датчики применяются в системах конвейеров для подсчёта объектов. Как и барьерные, рефлекторные датчики срабатывают на пересечение луча. В случае, если существует возможность появления в зоне действия датчика объекта, поверхность которого имеет сильную отражающую способность (металлическая, зеркальная), датчики оснащаются поляризационным фильтром, который препятствует срабатыванию датчика на отраженный от объекта свет, поскольку в таком случае направление волны света отличается от отраженного от рефлектора.

• диффузные– также изготавливаются по однокомпонентной схеме и предназначены для непосредственного определения наличия объекта посредством приёма рассеянного отраженного от объекта света излучателя. Данные датчики отличаются наименьшей дальностью действия среди всех оптических датчиков, которая составляет обычно не более 2 метров. Кроме того, они чувствительны к отражающей способности поверхности объекта, поэтому их применимость для контроля наличия объектов разного цвета и/или с более или менее зеркальной поверхностью ограничена. Для повышения надёжности датчики оснащаются функцией подавления внешней засветки, а также большинство из них имеют возможность точной подстройки как при помощи потенциометра, так и посредством электронной калибровки по кнопке или внешнему сигналу. Также данная категория датчиков нередко имеет функцию подавления заднего фона, которая позволяет срабатывать только на объекты, находящиеся на определенном расстоянии от датчика, несмотря на возможное наличие объектов в пределах зоны действия датчика, но дальше искомого объекта.

На выходе оптического датчика обычно находится стандартный транзистор PNP/NPN. В отличие от иных датчиков дискретного типа, имеющих стандартное обозначение выхода как НО (нормально открытый) либо НЗ (нормально закрытый) контакт, для оптических датчиков введены специальные обозначения:

• Light ON – переключение происходит при наличии попадающего на фотодиод света от излучателя
• Dark ON – переключение происходит при прерывании луча, т. е. при отсутствии попадающего на фотодиод света

В зависимости от типа датчика меняется и соответствие его выхода классической классификации НО/НЗ:

Срабатывание на свет (Light ON)

Срабатывание на отсутствие света (Dark ON)

Типы оптических датчиков

На сегодняшний день существует большое количество различных исполнений фотоэлектрических датчиков , и порой разделение их по типам достаточно затруднительно. Рассмотрим наиболее распространенные исполнения и категории, встречающиеся у современных производителей:

Диффузные датчики, хотя некоторые производители, например Balluff, называют их оптическими щупами. В этой категории представлены как самые простые варианты, имеющие фиксированную дальность срабатывания и позволяющие избежать необходимости настройки при монтаже. Так и значительно более сложные компоненты, включающие в себя системы механической либо электромеханической подстройки угла между оптическими осями излучателя и приёмника для точной юстировки дальности до объекта. Как и классические индуктивные датчики, диффузионные зачастую изготавливаются в цилиндрических резьбовых и безрезьбовых корпусах типоразмеров D3…D6.5, М8, М12, М18, М30 из латуни, стали либо пластика. Это позволяет обеспечить быстрый монтаж и при необходимости подгонку датчика по месту установки смещением его в креплении дальше либо ближе от объекта. Кроме того, для применения в ограниченных монтажных пространствах распространение получили датчики в стандартных цилиндрических корпусах с установленной под углом в 90° оптикой, что достигается за счёт системы зеркал. Благодаря этому можно монтировать датчики в местах, где нет возможности установить их на одной оси с линией контроля наличия объекта. Подобные исполнения также имеют свои аналоги в следующих двух категориях. Однако малое расстояние между осями приёмника и излучателя в подобных исполнениях уменьшают их применимость на больших расстояниях, поэтому основная масса таких датчиков изготавливается в блочных корпусах различных размеров из пластика, цинка, алюминия. Больший размер позволяет также разместить в корпусе датчика более сложную электронику, в том числе компоненты для самодиагностики, а также устройства индикации вплоть до визуализации качества отраженного сигнала цветом светодиода.

Отражательные датчики зачастую имеют много общего по своей конструкции с диффузными, и отличить их друг от друга без ознакомления с документацией может быть попросту невозможно. Однако, в отличие от них, датчики данного типа часто оснащаются поляризационным фильтром, который делает практически невозможным его срабатывание на отраженный даже от зеркальной поверхности объекта свет. Отражатель (катафот) датчика не требует электрического подключения, что делает датчики данного типа более удобными в использовании, нежели барьерные. Подстройка дальности действия, как и регулировка угла между оптическими осями приёмника и излучателя, в данной категории датчиков встречается реже, а необходимость точного подбора дальности срабатывания для конкретного применения становится менее актуальной, поскольку независимо от дальности до отражателя (в пределах определенной производителем и конструкцией) датчик отрабатывает с одинаковой стабильностью.

Однонаправленные датчики или световые барьеры, также изготавливаются в типовых корпусах – цилиндрических и блочных. Однако в данном случае уже проще отличить один компонент от другого – обычно явно видна одиночная линза как на приёмнике, так и на излучателе. Многие подобные датчики поставляются сразу в паре, что исключает возможность некорректного подбора, а стандартизированные значения длин волн рабочего излучения позволяют без проблем в случае необходимости заменить только один компонент из пары. В случае, если приёмник и излучатель поставляются отдельно, техническая документация обычно указывает допустимые варианты парных компонентов; либо же можно просто опираться на длину волны и тип излучения датчика. Инфракрасный приёмник не сработает на лазерный излучатель, и наоборот.

Лазерные (оптические) датчики расстояния наследуют принцип действия оптических щупов, изредка используясь вместе с отражателями. Их основная функция, однако —

определение расстояния до объекта на основании данных либо о времени между излучением света и попаданием на приёмник отраженного света, либо об угле отражения (триангуляция). Данные датчики обычно используют лазер в качестве излучателя, поскольку точность измерения расстояния требует минимального размера светового пятна.

Лазерные дальномеры разделяются на две категории по принципу действия:

• импульсные дальномеры излучают не непрерывное, а прерывистое излучение, и имеют в своём составе электронику, производящую измерение времени между отправкой импульса и регистрацией приёмником отражённого импульса.
• фазовые дальномеры используют изменение мощности лазера путем наложения модулирующего сигнала, последовательно подсвечивая объект излучением с разной частотой, которая изменяется с каждым циклом работы. Регистрируя частоту отраженного от объекта излучения, датчик вычисляет дальность до объекта на основании разницы частоты излучения.

Оптические датчики расстояния со светодиодом в качестве источника света в основном используют принцип триангуляции, производя анализ угла отражения света от объекта на основании данных о наиболее освещённой точке на поверхности фотодиода. Подобные датчики обычно отличаются значительно меньшим, нежели лазерные, дальностью действия, а также меньшей стоимостью.

Конечно же, все подобные модели оснащаются аналоговым либо цифровым выходом, значение которого изменяется в соответствии с расстоянием до объекта; при этом дискретный выход порой отсутствует. Датчики данного типа крайне редко изготавливаются в цилиндрических корпусах, поскольку для них важно достаточное расстояние между приёмником и излучателем. Размер корпуса, а точнее, блока приёмника и излучателя, напрямую влияет на предельную дальность действия: с увеличением максимального измеряемого расстояния растут и габариты датчика.

Специализированные оптические датчики
Традиционные исполнения оптических датчиков позволяют применять их для решения широкого спектра задач. Однако нередки случаи, когда традиционных исполнений становится недостаточно, либо их применение попросту не представляется возможным. На помощь приходят специализированные версии диффузных, отражательных и барьерных датчиков. Компактность или устойчивость к электромагнитным помехам, различие цветов или контрастности – на все вопросы отвечает своя категория. Постараемся разобраться.

Датчики цвета – особый подраздел диффузных датчиков, которые используют белый свет и производят анализ характеристик отраженного от поверхности света, на основании которых формируются данные о цвете поверхности. Данные датчики уже граничат по функционалу с системами технического зрения, а их комплекс электроники занимает немало места, в силу чего они зачастую весьма громоздки. Для расширения применимости датчики данного типа нередко изготавливаются в формате базовых устройств волоконной оптики, а головка соответствующего оптоволоконного кабеля всегда представляет собой единый элемент, как для диффузного оптоволокна. Номинальная дальность действия подобных связок невелика, однако установка на головку оптоволоконного кабеля комплексов линз позволяет увеличить её до 400 мм и выше. Вместе с тем, надёжность определения цвета с увеличением расстояния падает, а кроме того, подобные датчики достаточно уязвимы для внешнего освещения, которое может внести серьёзные изменения в регистрируемые датчиком показания отраженного света.

Поскольку градация цветов велика, и её практически невозможно привязать к линейной зависимости, которую можно было бы сконвертировать в аналоговый выходной сигнал, подобные датчики обычно имеют цифровой интерфейс, по которому в управляющую систему попадает информация о фактическом цвете объекта. Кроме того, нередко подобные датчики оснащаются дискретными выходами – обычно в количестве 3 шт. PNP/NPN, — которые позволяют регистрировать ряд основных сочетаний цветов на основании совокупности наличия либо отсутствия сигналов на этих выходах.

Датчики контрастных меток также являются специализированным вариантом диффузных датчиков, поскольку они предназначены для работы на отражение от объекта. Однако, их особым свойством является точная настройка на характеристику отражения по двум значениям – фон и объект, в данном случае метка, которая нанесена на поверхность. В отличие от диффузных датчиков, принципиального значения разница расстояний до фона и объекта не играет особой роли; датчик срабатывает при обнаружении в поле зрения объекта, контрастного по отношению к фону. В дополнение, подобные датчики отрабатывают одинаково эффективно как в случае, когда отражающие свойства метки лучше, чем у объекта, так и наоборот. Конечно, в редких случаях подобная задача может с известной надёжностью решаться обычным диффузным датчиком, но датчик контрастных меток, сочетая в себе не только точную электронную подстройку, но и эффективное подавление внешних засветок, решает эту задачу значительно лучше.

Однако, за надёжность подобные датчики расплачиваются сверхмалой дальностью действия – стандартное расстояние составляет 17…21 мм. Датчик контрастных меток можно легко опознать по сравнительно большой линзе или системе линз, нередко вынесенной за пределы металлического или блочного корпуса. В редких случаях датчиком контрастных меток может быть прошедший сверхточную калибровку и оснащённый улучшенной оптикой и электроникой диффузный датчик классического вида.

Люминесцентные датчики используют ультрафиолетовый диапазон излучения и предназначаются для определения наличия на поверхности объекта меток, нанесенных специальными чернилами, которые светятся в этом спектре. Подобные датчики применяются крайне редко, однако их несомненным достоинством является полное игнорирование внешних засветок и независимость от отражающих свойств поверхности, равно как её цвета. Помимо прочего, дальность действия таких датчиков может достигать 300 мм.

По всем вопросам обращайтесь по телефонам или e-mail.

Датчики для измерения расстояния

Датчик расстояния — это устройство, которое используется для измерения длины, высоты и ширины объекта. Для удобства датчик встраивают в корпус, программируют его и придают компактный вид. Таким образом создается дальномер, который широко используется во многих сферах.

Виды датчиков

На рынке можно найти несколько основных видов датчиков расстояния, самыми популярными считаются:

• ИК датчик — работает на основе испускаемого инфракрасного луча (лазера), высокоточное оборудование имеющие широкую сферу применения.Лазерный датчик расстояния работает таким образом: прибор посылает сигнал в виде лазерного луча, который отражается от стоящего перед ним препятствия и возвращается обратно в фотоэлемент. На основе того с какой скоростью вернулся сигнал, микроконтроллер вычисляет расстояние до препятствия. В зависимости от качества датчика, он может измерять дальность до нескольких сотен метров.
• Ультразвуковой датчик — используется в основном для конструирования автоматических систем умного дома, так как имеет слишком большую погрешность для точных измерений.Ультразвуковой датчик расстояния в основном используется для обнаружения объектов и измерения расстояния до них. Принц работы устройства такой: прибор излучает звуковые колебания определенной частоты, при встрече с твердой поверхностью выпущенные звуковые волны возвращаются обратно в датчик. После чего микроконтроллер высчитывает расстояние до объекта по определенной формуле. Расстояние, на котором обнаруживаются объекты доходит до 8 метров, но с каждым метром снижается точность измерений. Также важно чтобы измеряемый объект имел гладкую поверхность.

Где используются датчики

В основном лазерные датчики расстояния используются в строительной сфере для замеров расстояния между объектами, но им можно найти множество применений. К примеру, датчики расстояния могут помочь в обустройстве умного дома. Установив и, настроив датчик определенным образом, можно автоматизировать включение и выключение света в комнате или сделать автоматическое открытие или закрытие дверей и так далее.

Также подобный датчик установлен в каждый современный смартфон, с его помощью выключается экран, как только смартфон близко подносится к уху во время разговора. Датчики расстояния часто устанавливают в капот и бампер машины, чтобы облегчить парковку и получать данные о препятствиях на пути автомобиля в реальном времени.

Данные датчики измерения расстояния можно приобрести в отдельном виде, но без программируемого микроконтроллера они почти бесполезны. Поэтому покупать их по отдельности разумно только для решения узкого спектра задач. Для подключения датчиков обычно используется микроконтроллер «Ардуино», который необходимо вручную настраивать и прошивать для работы с определенным типом датчиков.

Для тех, кто не хочет углубляться в основы программирования платформы «Ардуино» и радиотехники, рекомендуется купить готовый вариант в виде строительного дальномера.

Что такое дальномер

Дальномер — это компактный девайс, который пришел на смену строительным рулеткам. Данный прибор способен моментально выполнить точные замеры, проводить сложные расчеты, но главный плюс — это то, что его может использовать один человек, без помощи напарника, который держит один конец рулетки.

Существует множество формфакторов и вариантов исполнения данного девайса, но обычно это небольшое устройство, которое помещается в ладонь. Дальномер имеет встроенный аккумулятор что позволяет ему работать долгое время без подзарядки. На корпусе устройства расположен дисплей, на который выводится основная информация о текущем состоянии устройства, а также о результатах замеров. На торце имеется излучатель и приемник, благодаря которым осуществляются измерения.

Лазерные дальномеры активно используются в строительстве и во время монтажных работ. Устройство способно проводить точные измерения с погрешностью 1–3 мм на 10 метров, в зависимости от технических характеристик модели.

Дальномеры делятся на две группы:

• Активные модели — определяют расстояние при помощи звукового, лазерного или светового луча. После выпуска луча он отражается от препятствия и направляется обратно в дальномер. Датчик, который улавливает сигнал проводит вычисления, и выдает результат на дисплей.
• Пассивные модели — работают на основе формулы равнобедренного треугольника, где нужное расстояние это высота h, а длина основания неизвестна. Пассивные устройства активно используются в геодезии, спорте, охоте и там, где минимальные измерения начинаются от 0.5 км и могут доходить до нескольких километров. Для работ, где важна точность измерений вплоть до сантиметра такие устройства не подходят.

Приобретать дальномеры нужно в зависимости от того для какой деятельности он будет использоваться.

Конструкция дальномеров

Визуально большинство устройств схожи с мобильным телефоном на верхушке которого расположен лазерный излучатель. Бюджетные устройства обычно оборудованы LED-дисплеем с подсветкой, на котором может расположиться от одной до четырех строк с данными.

Профессиональные устройства оснащены жидкокристаллическими дисплеями и поддерживают несколько тысяч цветов. Такие устройства имеют проработанный интерфейс, внутреннею память и иногда встроенную камеру.

На любой модели снизу экрана расположены кнопки управления, их количество может варьироваться от 2–10 и более в зависимости от типа устройства. Почти на всех моделях, чтобы начать проводить замеры нужно нажать центральную кнопку, которая выделена красным цветом. Продвинутые аппараты со встроенной памятью могут сохранять последние расчеты и проводить сложные вычисления площади помещения и так далее.

В зависимости от цены аппарат может быть в пластиковом корпусе, а может быть в защитном чехле, который будет надежно защищать дальномер от падений.

Функционал устройства

Функционал бюджетных моделей как правильно органичен лишь измерением дальности. Но аппараты среднего ценового диапазона уже включают в себя множество полезных функций, среди которых:

• Определения периметра и площади.
• Вычисление объема измеряемых объектов.
• Встроенный уровень.
• Передача данных.

И это далеко не весь список возможностей качественных дальномеров. С повышением цены на устройство растет и его функционал. Профессиональный дальномер — это важнейший инструмент для строителя, без которого невозможно качественно завершить проект.

При выборе дальномера нужно опираться на то, чтобы в него была встроена возможность:

• Считать площадь и объем. Данные показатели вычисляются путем измерения нескольких граней. Функция полезна во время проведения отделочных работ, она облегчает расчет количества строительных материалов.
• Уровень — используется в самых разнообразных целях. Девайс может быть оснащен простым уровнем, выполненным в роли ватерпаса, который расположен на корпусе или в качестве функциональной программы, которая выводит градус наклона на дисплей.
• Однотипные скобы — позволяют проводить диагональные измерения из углов, в которых невозможно плотно зафиксировать девайс. Некоторые датчики дистанции оборудованным выдвижными штырями, которые расположены внутри корпуса.
• Сохранения данных — данная функция существенно облегчает работы, где нужно проводить много параллельных замеров и избавляет от необходимости записывать данные об площади и объеме объектов на бумагу. Возможность в любой момент посмотреть результаты прошлых замеров также могут быть полезны при выборе стройматериалов, когда в магазине нужно четко ориентироваться по размерам комнаты.
• Передача накопленных данных. Передача данных на другое устройство обычно происходит с помощью USB кабеля, но дорогие модели имеют встроенный блютуз. Все измерения могут передаваться в виде текстового файла или картинки. Также полученные данные с помощью специальной программы можно удобно преобразовать в точный чертеж помещения.
• Непрерывное изменение — данная функция превращает девайс в лазерную рулетку, которая показывает расстояние до препятствия в режиме реального времени. Такая функция поможет отмереть часть необходимой длины и проверить неровность покрытий, на которые дальномер установлен.
• Визир — имеет вид небольшого оптического прицела, который используется для точного наведения измерительного луча на необходимый объект, расположенный вдали. В профессиональных моделях визир имеет вид камеры и выводит на экран прибора картинку с перекрестием или точкой для удобного прицеливания.
• Измерение высоты — функция позволяет получить данные об высоте потолка, дома и другого высокого объекта. Измерение происходит таким образом — нужно отмерять расстояние от девайса до основания объекта и до конечной точки. Далее полученные данные обрабатываются устройством и на дисплей выводиться результаты измерений.

Данный набор функций актуален для строителей. Если лазерный дальномер покупается для бытовых целей или небольшого ремонта, можно ограничиться недорогой моделью без множества функций.

Как использовать дальномер

Задача дальномера — это упростить и ускорить процесс измерения. Производители выпускают девайсы с интуитивно понятным интерфейсом, поэтому разобраться какая кнопка за что отвечает не трудно. Для облегчения изучения основных функций нового девайся в комплекте с каждым устройством идет детальная инструкция, в которой разобраны все аспекты использования дальномера.

В независимости от модели дальномера на его корпусе будет расположены минимум 2 кнопки:

• Для старта измерения.
• Для очистки данных.

Чем дороже аппарат, тем больше кнопок он имеет. Дорогие модели оборудованы кнопками навигации по интерфейсу. Обычно на каждую кнопку нанесена гравировка, изучив которую можно понять за что клавиша отвечает.

Главный фактор, который объединяет все модели дальномеров заключается в принципе использования девайса. Нулевая точка для каждого аппарата установлена на нижний торец корпуса или на выдвижные штыри.

Провести замеры можно таким образом:

• Аппарат прикладывается к стене задним торцом.
• Лучи должны смотреть в сторону измеряемого расстояния.
• Далее нужно нажать кнопку «Измерения».
• После чего данные об расстоянии будут выведены на дисплей.

В зависимости от модели тип действий может отличаться.

Плюсы и минусы использования

Лазерные дальномеры широко используются в сфере строительства благодаря своим основным плюсам:

• Большая рабочая дальность. В зависимости от стоимости и типа, девайс способен почти без погрешности работать на расстояниях более сотни метров.
• Удобство юстировки. Данный плюс обусловлен тем, что лазерное пятно хорошо видно на любой поверхности.
• Защита от засветов. Испускаемый луч имеет узкий монохромный спектр, который исключает случайное срабатывание. Приемник сигнала будет реагировать только на попадание в него отраженного лазера.
• Защита от помех. Датчик функционирует только в импульсном режиме, поэтому на него не воздействуют условия внешней среды.
• Низкое потребление энергии. На одной зарядке датчик может произвести несколько сотен измерений.

К минусам можно отнести достаточно высокую стоимость даже простых моделей. Но обычные датчики без микроконтроллера стоят в несколько раз дешевле и при наличии навыков программирования и пайки можно собрать собственный дальномер.

Заключение

Из данного материала вы узнали, что такое датчики расстояния, какие они бывают и как они работают. Лучший вариант — это купить готовый дальномер, который подойдет для решения любых задач, связанных с измерением площади и дальности расположения объектов. Купить дальномер, можно практически в любом строительном магазине, а отдельные датчики продаются в магазинах радиотехники.

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.