Фотоэлектрические датчики - это бесконтактные датчики, которые используют видимый или инфракрасный свет для обнаружения объектов. Они излучают световые лучи и наблюдают за лучом на предмет любых прерываний или изменений, чтобы обнаружить присутствие любого постороннего объекта в пределах светового пути.  

Эта статья призвана дать вам общее представление о различных типах фотоэлектрических датчиков и методах их работы. 

Что такое фотоэлектрический датчик?

Фотоэлектрический датчик - это оптический датчик, который состоит из источника света, светоприемника и схемы вывода сигналов и управления. Они могут обнаруживать присутствие объектов, а иногда и состояние поверхности.

Когда излучаемый свет прерывается объектом в непосредственной близости, светоприемник обнаруживает это изменение и включает или выключает выход датчика. Некоторые датчики приближения могут даже определять расстояние до объекта.

Принцип действия фотоэлектрических датчиков

Работа фотоэлектрических датчиков основана на основных свойствах света: интенсивность, направление распространения, частота и поляризация. Они могут использовать одну или несколько из этих концепций для обнаружения и измерения расстояния до объектов.

Свойства света

Прямолинейное распространение

Свет - это электромагнитная волна. Одно из физических свойств электромагнитных волн - прямолинейное распространение. Он описывает тенденцию света двигаться по прямой линии. При перемещении через однородную среду (материал, который имеет одинаковые свойства в каждой точке), например, в воздухе, световые волны не изгибаются, поэтому они движутся по прямым линиям.

Датчики, такие как фотоэлектрические датчики на пересечение луча используйте это свойство света, чтобы обнаруживать объекты, которые пересекают луч, блокируя его.

Преломление

Другое свойство света состоит в том, что он меняет направление (отклоняется), когда проходит через границу раздела двух сред. Например, когда свет проходит через воздух и попадает в воду, прямой луч отклоняется. Это связано с изменением показатель преломления в двух средах. На рисунке ниже показано, как свет преломляется при прохождении через среду воздух-стекло-воздух.

отражение

Отражение - это свойство света, которое описывает явление, когда луч света попадает на объект или поверхность, такую ​​как стекло или зеркало, и перенаправляет луч обратно к источнику. Отражение описывает, что угол падения равен углу отражения, что заставляет световой луч перемещаться по тому же точному пути в противоположном направлении после отражения.

Ретроотражение - это улучшенная версия отражения, в которой используется «угловой куб». Угловые кубики состоят из трех перпендикулярных друг другу плоских зеркал. Это отражение также известно как «световозвращение».

Хотя отражающие поверхности почти полностью отражают направленный на них свет, некоторые материалы, такие как белая бумага, могут отражать свет во всех направлениях. Это называется «рассеяние» или «диффузия».

поляризация

Как мы уже упоминали, свет - это электромагнитная волна. Электромагнитные волны также можно рассматривать как колеблющиеся волны как по горизонтали, так и по вертикали. В настоящее время в большинстве фотоэлектрических датчиков в качестве источников света используются светодиоды. Свет, излучаемый светодиодами, имеет как горизонтальные, так и вертикальные компоненты, известные как «неполяризованный» свет.

Мы можем использовать специальные фильтры, называемые «поляризационными фильтрами», чтобы отфильтровать один из этих компонентов, чтобы луч имел только горизонтальные или вертикальные колебательные компоненты. Затем световой луч становится «поляризованным».

Поляризация обычно используется для предотвращения внешних помех, поскольку датчик не будет реагировать практически на любой световой луч, а только на специально отфильтрованный луч.

Источники света

Оптические / фотоэлектрические датчики поставляются с двумя типами источников света: импульсно-модулированный свет и немодулированный свет. 

Модулированные источники света

Этот метод, также известный как импульсно-модулированный свет, использует непрерывно пульсирующий луч света для обнаружения объектов. Излучаемый свет (светодиод) многократно включается и выключается через фиксированный интервал времени. Этот метод очень полезен в датчиках, где внешние световые помехи могут быть проблемой. Поскольку датчик чувствителен только к определенной частоте излучаемого света, внешние источники света не могут мешать датчику и случайно запускать его.

Датчики с модулированными источниками света также имеют больший диапазон, чем датчики с немодулированными источниками света.

Немодулированный источник света

Самый простой немодулированный свет - это непрерывно включенный луч определенной интенсивности. Они быстрее модулируемых световых датчиков, но подвержены внешним помехам.

Триангуляция

В датчиках с настраиваемым расстоянием мы можем обнаруживать смещение объекта с помощью метода, называемого «триангуляция». Эти датчики имеют специальный чувствительный элемент, который может определять, где именно световой луч падает на датчик. Например, если объект находится в позиции A, показанной на рисунке ниже, световой луч упадет в позицию «a» на датчике положения. Если объект перемещается дальше по направлению к точке B, луч света также будет сконцентрирован в точке «b» на датчике.

Классификация фотоэлектрических датчиков

Мы можем классифицировать фотоэлектрические датчики по трем основным критериям: метод измерения, точки выбора по методу измерения и конфигурации.

Классификация методом зондирования

• Датчики пересечения луча
  • В датчиках сквозного луча есть два устройства: излучатель и приемник. Они установлены друг против друга. Излучатель излучает световой луч, который падает на датчик с другой стороны. Когда объект попадает в зону прямой видимости датчика, он прерывает луч, и датчик интерпретирует отсутствие света как обнаружение объекта.

• • Сквозные лучевые датчики могут иметь диапазон срабатывания от нескольких сантиметров до нескольких десятков метров. Они могут обнаружить практически любой непрозрачный материал независимо от формы, цвета и блеска.

• Датчики диффузного отражения
  • Датчики диффузного отражения имеют все необходимое оборудование в одном корпусе. Во время нормальной работы излучатель излучает свет и никогда не возвращается обратно к датчику. Когда объект попадает в луч, он отражает часть света обратно на датчик. Датчик отслеживает количество отраженного света, и если оно превышает фиксированное значение, срабатывает выход.

• • Диффузные датчики легче монтировать, поскольку имеется только одно устройство и не требует особой калибровки / регулировки. Они могут обнаруживать объекты от нескольких сантиметров до нескольких метров.
  • Цвет и текстура обнаруженных объектов могут повлиять на работу и стабильность датчиков диффузного режима.

• Датчики на отражение от рефлектора
  • Датчики на отражение от рефлектора также представляют собой датчики с одним устройством, которые излучают и обнаруживают отраженный свет. Специальный отражатель, называемый ретрорефлектором, отражает излучаемый свет.
  • Когда объект прерывает световой луч, интенсивность отраженного луча становится ниже, и датчик может обнаружить это изменение и включить / выключить выход.
  • 
  • Световозвращающие датчики также имеют расстояние срабатывания от нескольких сантиметров до нескольких метров. Они могут обнаруживать как прозрачные, так и непрозрачные материалы. Благодаря специальным дополнениям, таким как поляризационные фильтры, они могут обнаруживать даже зеркальные поверхности.
  • Датчики с обратным отражением имеют мертвую зону на близком расстоянии, что может быть недостатком в некоторых приложениях.
• Датчики с дистанционной настройкой
  • Датчики светового луча с настраиваемым расстоянием могут обнаруживать относительное движение обнаруженного объекта. У них есть датчик положения, который может определять, где на датчике концентрируется полученный свет. Некоторые датчики имеют фотодиод из двух частей, где один может определять, когда объект находится рядом с датчиком, а другой обнаруживает, когда объект находится далеко от него, путем вычисления разницы в интенсивностях света, заданных двумя фотодиодами.

• • На работу датчика с настраиваемым расстоянием не сильно влияет фон или условия объекта, такие как цвет или состояние поверхности.

• Датчики с ограниченным отражением
  • Датчики с ограниченным отражением похожи на датчики с регулируемым расстоянием, но их диапазон оптически более ограничен. Они могут обнаруживать объекты только на определенном расстоянии (в зоне перекрытия излучаемого света и пути приема).

• • Датчики с ограниченным отражением могут обнаруживать небольшие изменения высоты объектов, поэтому подходят для приложений контроля качества. Подобно типу с настраиваемым расстоянием, на работу датчика не сильно влияет фон или условия объекта, такие как цвет или состояние поверхности.

Точки отбора по методу зондирования

При выборе фотоэлектрического датчика для конкретного применения необходимо учитывать несколько моментов.

При выборе сквозной луч и светоотражающей датчиков, примите во внимание следующие моменты:

Обнаружение объекта

• Размер и форма (длина x ширина x высота)
• Прозрачность (непрозрачная, полупрозрачная или прозрачная)

датчик

• Расстояние срабатывания
• Ограничения по размеру и форме (датчик и любые отражатели)
• Необходима установка бок о бок
  • Количество единиц
  • Монтажный шаг
  • Необходимость установки в шахматном порядке
• Ограничения по установке
  • Угол
  • Распродажа 

Окружающая среда

• Температура окружающей среды, влажность
• Наличие брызг воды, химикатов и масла.

Если приложению требуется диффузно-отражающий, настраиваемый датчик или датчик с ограниченным расстоянием, проверьте характеристики;

Обнаружение объекта

• Размер и форма (длина x ширина x высота)
• Цвет
• Материал (сталь, дерево, бумага, нержавеющая сталь и т. Д.)
• Обработка поверхности (глокси, текстурированная и т. Д.)
• Скорость движения

датчик

• Расстояние срабатывания
• Ограничения по размеру и форме (датчик и любые отражатели)
• Необходима установка бок о бок
  • Количество единиц
  • Монтажный шаг
  • Необходимость установки в шахматном порядке
• Ограничения по установке
  • Угол
  • Распродажа 

Окружающая среда

• Температура окружающей среды, влажность
• Наличие брызг воды, химикатов и масла.

Классификация по конфигурации

Фотоэлектрические датчики также можно разделить на категории в зависимости от их физической конфигурации. Они состоят из четырех основных частей: излучателя, приемника, усилителя и контроллера.

Датчики с отдельными усилителями

Датчики, такие как фотоэлектрические датчики на пересечение луча, часто имеют схему усилителя как отдельный блок. Для проходного типа излучатель и приемник также размещаются в разных корпусах. Отражающие датчики имеют интегрированные излучатель и приемник, а также отдельный блок усилителя.

Такое расположение может быть полезно, когда датчики должны быть установлены в ограниченном пространстве и будет нелегко получить доступ для регулировки их чувствительности. Однако, поскольку усилитель установлен вдали от датчиков, сигнал также подвержен электрическому шуму.

Встроенные датчики усилителя

Этот тип состоит из всех четырех основных компонентов датчика, включая блок усилителя. Большинство датчиков сквозного луча со встроенными усилителями имеют приемник, усилитель и контроллер, встроенные в приемник, а излучатель остается как отдельный блок. Для включения им требуется только внешнее питание.

Датчики со встроенным усилителем требуют относительно меньшего количества проводки, чем датчики без усилителей. Таким образом, вероятность воздействия электрических помех на них снижается, поскольку в них нет сигнальных проводов.

Датчики со встроенными блоками питания

Этот тип фотоэлектрических датчиков может напрямую управлять нагрузкой большой мощности, такой как двигатели или лампочки. Они имеют собственную встроенную схему питания и могут быть напрямую подключены к коммерческим источникам питания. (нет необходимости в отдельных блоках питания).

Однако они также намного больше с точки зрения занимаемой площади, поскольку должны содержать всю силовую электронику и схему источника питания в дополнение к эмиттеру, приемнику, усилителю и схеме контроллера.

Датчики площади

Датчики площади представляют собой модифицированную версию датчиков сквозного луча, которые могут обнаруживать объекты с использованием нескольких лучей. Они полезны при обнаружении объектов, которые могут иметь разную высоту ориентации, например мелких деталей.

Особенности фотоэлектрического датчика

Самая полезная особенность фотоэлектрических датчиков заключается в том, что они могут обнаруживать любой объект без какого-либо контакта. В отличие от датчиков, таких как концевые выключатели, они обнаруживают присутствие объекта с помощью света. У них также нет ограничений на то, что может быть обнаружено; Правый фотоэлектрический датчик обнаружит любой объект в пределах своих ограничений.

Фотоэлектрические датчики также очень быстрые и имеют очень высокое разрешение для точных приложений. У них также самый высокий диапазон чувствительности - более 10 метров по сравнению с магнитными и ультразвуковыми аналогами.

Выравнивание, калибровка и регулировка фотоэлектрических датчиков также очень проста, поскольку луч света виден невооруженным глазом (только для моделей, излучающих видимый свет).

Регулировка чувствительности фотоэлектрического датчика

Регулировать чувствительность фотоэлектрических датчиков очень просто. Некоторые датчики состоят из специальной кнопки, называемой «обучение», а другие оснащены потенциометром, который можно поворачивать с помощью отвертки. Типичный фотоэлектрический датчик имеет два светодиода: зеленый для индикации мощности и оранжевый для индикации текущего состояния выхода.

Чтобы отрегулировать чувствительность типа потенциометра, полностью поверните потенциометр против часовой стрелки, когда нет никаких предметов. Затем поместите объект перед датчиком и поверните потенциометр по часовой стрелке, пока не загорится оранжевый светодиод. 

Где используются фотоэлектрические датчики?

Фотоэлектрические датчики используются во многих приложениях для бесконтактного обнаружения объектов. Они включают,

• Проверка и подсчет предметов, движущихся по конвейерной линии
• Обнаружение цветов
• Измерение расстояний
• Измерение смещения
• Определение приближения (наличие / отсутствие объекта)

В чем разница между датчиками приближения и фотоэлектрическими датчиками?

Датчики приближения обычно используют электромагнитные или емкостные поля для обнаружения объектов. Фотоэлектрические датчики используют световые лучи для обнаружения объектов. Есть датчики приближения, которые используют световые лучи для обнаружения.

Фотоэлектрические датчики работают очень быстро по сравнению с датчиками приближения, поскольку они используют световые лучи для обнаружения объектов. Это потому, что свет движется с очень высокой скоростью. Датчикам приближения может потребоваться до нескольких миллисекунд для правильного обнаружения объекта.

Датчики приближения относительно дешевле, чем их фотоэлектрические аналоги. Это связано с относительно простой конструкцией датчиков приближения. Но датчики приближения обычно больше фотоэлектрических датчиков.

Фотоэлектрические датчики сложнее датчиков приближения, но они также имеют очень высокое разрешение и точность. Фотоэлектрические датчики также легче настроить, чем датчики приближения, для которых иногда требуется дополнительный калибровочный материал.

Каковы четыре основные части фотоэлектрического датчика?

Фотоэлектрический датчик состоит из четырех основных ступеней:

Источник света

Это секция, которая обрабатывает излучение света. Современные фотоэлектрические датчики основаны на светодиодах (светоизлучающих диодах), которые могут иметь инфракрасный (ИК) или видимый свет, например красный, зеленый или синий цвет. Большинство датчиков используют метод импульсной модуляции для отправки пакета непрерывных импульсов, чтобы уменьшить внешние помехи, вызванные аналогичными источниками света.

Светоприемник

Схема приемника принимает отраженный / испускаемый свет от источника света и преобразует его в электрический сигнал.

Главная цепь

Основная схема выполняет все функции высокого уровня, такие как импульсная модуляция для излучателя и преобразование сигнала для приемника. Он также имеет синхронный детектор и усилительный каскад для обнаружения наличия / отсутствия или изменения принятого сигнала.

Выходная цепь

Схема вывода управляет окончательным выходным сигналом. Доступны все типы выходных цепей, включая выходы NPN / PNP и релейные выходы. Некоторые датчики могут выводить аналоговые сигналы, а некоторые могут даже напрямую управлять значительной нагрузкой, а не только сигналом.

Как настроить фотоэлектрический датчик?

Фотоэлектрические датчики доступны с несколькими типами выходов, включая транзисторный выход, такой как PNP или NPN, и релейный выход. На рисунке ниже показана проводка эмиттерного блока для датчика сквозного луча. Подача 0В на розовый провод включит эмиттер.

 

Приемник показанного ниже датчика сквозного луча имеет выходы типа NPN. На черном выходе остается высокое напряжение (12 В или 24 В в зависимости от источника питания). Когда объект обнаружен, он подключается к 0 В, в результате чего ток течет через подключенную нагрузку. Для взаимодействия с датчиками типа NPN в ПЛК должна быть карта ввода типа PNP.

Заключение

В этой статье мы обсудили общую работу фотоэлектрических датчиков, технологию, лежащую в основе их работы, и типы датчиков, которые доступны в отрасли. Фотоэлектрические датчики - это высокоточные и прецизионные датчики, которые используются в высокоточных машинах и в других приложениях для обнаружения объектов.