Фотоэлектрические датчики - это бесконтактные датчики, использующие видимый или инфракрасный свет для обнаружения объектов. Они испускают световые лучи и наблюдают за ними на предмет прерывания или изменения, чтобы обнаружить присутствие постороннего объекта в пределах светового пути.  

Цель этой статьи - дать вам общее представление о различных типах фотоэлектрических датчиков и методах их работы. 

Что такое фотоэлектрический датчик?

Фотоэлектрический датчик - это оптический датчик, состоящий из источника света, приемника света, схемы обработки сигнала и вывода управления. Они могут определять наличие объектов, а иногда и состояние поверхности.

Когда излучаемый свет прерывается объектом, находящимся в непосредственной близости, приемник света фиксирует это изменение и включает или выключает выход датчика. Некоторые датчики приближения даже способны определять расстояние до объекта.

Принцип работы фотоэлектрических датчиков

Работа фотоэлектрических датчиков основана на первичных 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. Одним из физических свойств электромагнитных волн является прямолинейное распространение. Оно описывает тенденцию света двигаться по прямой линии. При прохождении через однородную среду (материал, обладающий одинаковыми свойствами в каждой точке), такую как воздух, световые волны не искривляются, поэтому они распространяются по прямой линии.

Такие датчики, как фотоэлектрические датчики со сквозным лучом Используйте это свойство света для обнаружения объектов, которые сталкиваются с лучом, блокируя его.

Преломление

Еще одно свойство света - менять направление (отклоняться), когда он проходит через границу раздела двух сред. Например, когда свет проходит через воздух и попадает в воду, прямой луч отклоняется. Это происходит из-за изменения показатель преломления в двух средах. На рисунке ниже показано, как преломляется свет 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. При отражении угол падения равен углу отражения, что заставляет луч света после отражения двигаться по тому же пути в противоположном направлении.

Ретроотражение - это улучшенная версия отражения, в которой используется "угловой куб". Угловые кубы состоят из трех плоских зеркал, расположенных перпендикулярно друг другу. Такое отражение также известно как "ретроотражение".

В то время как отражающие поверхности почти полностью отражают направленный на них свет, некоторые материалы, например белая бумага, могут отражать свет во всех направлениях. Это называется "рассеиванием" или "диффузией".

Поляризация

Как мы уже говорили, свет - это электромагнитная волна. Электромагнитные волны также можно рассматривать как колебательные волны, как по горизонтали, так и по вертикали. В настоящее время большинство фотоэлектрических датчиков используют светодиоды в качестве источника света. Свет, излучаемый светодиодами, имеет как горизонтальную, так и вертикальную составляющие, что называется "неполяризованным" светом.

С помощью специальных фильтров, называемых "поляризационными", можно отфильтровать одну из этих составляющих, чтобы луч имел только горизонтальную или вертикальную колебательную составляющую. Тогда луч света становится "поляризованным".

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

Источники света

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

Модулируемые источники света

Также известный как импульсно-модулированный свет, этот метод использует непрерывно пульсирующий луч света для обнаружения объектов. Излучаемый свет (светодиод) многократно включается и выключается через фиксированный промежуток 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 помешать датчику и случайно сработать.

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

Немодулированный источник света

Самый простой немодулированный свет - это постоянно включенный луч с определенной интенсивностью света. Они быстрее датчиков с модулированным светом, но подвержены внешним помехам.

Триангуляция

В датчиках, измеряющих расстояние, мы можем определить перемещение объекта с помощью метода, называемого "триангуляция". Эти датчики оснащены специальным чувствительным элементом, который определяет, где именно падает луч света на датчик. Например, если объект находится в положении A, как показано на рисунке ниже, луч света упадет в положение 'a' на датчике положения. Если объект переместится дальше к точке B, луч света также сконцентрируется в точке b на датчике.

Классификация фотоэлектрических датчиков

Мы можем классифицировать фотоэлектрические датчики по трем основным критериям: метод определения чувствительности, точки отбора по методу определения чувствительности и конфигурация.

Классификация по методу зондирования

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

• • Датчики сквозного луча могут иметь диапазон обнаружения от нескольких сантиметров до нескольких десятков метров. Они могут обнаружить практически любой непрозрачный материал, независимо от формы, цвета и блеска.

• Диффузно-отражающие датчики
  • Датчики с диффузным отражением имеют все необходимое оборудование в одном корпусе. При нормальной работе излучатель испускает свет, и он никогда не возвращается обратно к датчику. Когда объект помещается 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, так как они состоят только из одного устройства и не нуждаются в калибровке/настройке. Они могут обнаруживать объекты размером от нескольких сантиметров до нескольких метров.
  • Цвет и текстура обнаруженных объектов могут влиять на производительность и стабильность работы датчиков диффузного режима.

• Светоотражающие датчики
  • Ретроотражательные датчики - это также датчики с одним устройством, которые одновременно излучают и обнаруживают отраженный свет. Специальный отражатель, называемый "ретрорефлектором", отражает излучаемый свет.
  • Когда объект прерывает луч света, интенсивность отраженного луча становится меньше, и датчик может обнаружить это изменение и включить/выключить выход.
  • 
  • Светоотражающие датчики также имеют расстояние срабатывания от нескольких сантиметров до нескольких метров. Они могут обнаруживать как прозрачные, так и непрозрачные материалы. С помощью специальных дополнений, например поляризационных фильтров, они могут обнаруживать даже поверхности с зеркальным покрытием.
  • Светоотражающие датчики имеют мертвую зону на близких расстояниях, что может быть недостатком в некоторых приложениях.
• Датчики с регулировкой расстояния
  • Датчики светового луча с регулировкой расстояния могут определять относительное перемещение обнаруженного объекта. Они оснащены датчиком положения, который может определить, где на датчике концентрируется получаемый свет. Некоторые датчики имеют двухкомпонентный фотодиод, один из которых может определять, когда объект находится рядом с датчиком, а другой - когда объект находится далеко от него, вычисляя разницу интенсивностей света, излучаемого двумя фотодиодами.

• • На работу датчика с заданным расстоянием не оказывает большого влияния фон или условия объекта, такие как цвет или состояние поверхности.

• Датчики с ограниченным отражением
  • Датчики с ограниченным отражением похожи на датчики с возможностью установки расстояния, но их диапазон оптически более ограничен. Они могут обнаруживать объекты только на определенном расстоянии (область, где излучаемый свет и траектория приема пересекаются).

• • Датчики с ограниченным отражением могут обнаруживать небольшие изменения высоты объектов, поэтому они подходят для применения в системах контроля качества. Как и в случае с датчиками с регулируемым расстоянием, на их работу не оказывает большого влияния фон или состояние объекта, например цвет или состояние поверхности.

Точки выбора по методу зондирования

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

При выборе сквозная балка и Светоотражающие датчики, рассмотрите следующие моменты:

Чувствительный объект

• Размер и форма (длина x ширина x высота)
• Прозрачность (непрозрачный, полупрозрачный или прозрачный)

Датчик

• Расстояние срабатывания
• Ограничения по размеру и форме (датчик и любые отражатели)
• Необходимость монтажа бок о бок
  • Количество единиц
  • Шаг крепления
  • Необходимость ступенчатого монтажа
• Ограничения при монтаже
  • Угол
  • Очистка 

Окружающая среда

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

Если приложение требует диффузно-отражающий, регулируемый по расстоянию или регулируемый по ограниченному расстоянию датчикПроверьте характеристики;

Чувствительный объект

• Размер и форма (длина x ширина x высота)
• Цвет
• Материал (сталь, дерево, бумага, SUS и т.д.)
• Отделка поверхности (глоксированная, текстурированная и т.д.)
• Скорость движения

Датчик

• Расстояние срабатывания
• Ограничения по размеру и форме (датчик и любые отражатели)
• Необходимость монтажа бок о бок
  • Количество единиц
  • Шаг крепления
  • Необходимость ступенчатого монтажа
• Ограничения при монтаже
  • Угол
  • Очистка 

Окружающая среда

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

Классификация по конфигурации

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

Датчики с отдельными усилителями

Такие датчики, как фотоэлектрические датчики сквозного луча, часто имеют схему усилителя в виде отдельного блока. В датчиках со сквозным лучом излучатель и приемник также размещаются в разных корпусах. Отражательные датчики имеют встроенные излучатель и приемник, а также отдельный блок усилителя.

Такая схема может быть полезна в тех случаях, когда датчики должны быть установлены в ограниченном пространстве и к ним нелегко подобраться для регулировки чувствительности. Однако, поскольку усилитель установлен вдали от датчиков, сигнал также подвержен воздействию электрических помех.

Встроенный усилитель Датчики

Этот тип состоит из всех четырех основных компонентов датчика, включая блок усилителя. В большинстве датчиков сквозного луча со встроенными усилителями приемник, усилитель и контроллер встроены в приемник, а излучатель остается в виде отдельного блока. Для их включения требуется только внешнее питание.

Датчики со встроенным усилителем требуют относительно меньшего количества проводов, чем датчики без усилителя. Поэтому они меньше подвержены влиянию электрических шумов, так как в них нет сигнальных проводов.

Датчики со встроенными источниками питания

Фотоэлектрические датчики этого типа могут напрямую управлять мощной нагрузкой, например, двигателями или лампами накаливания. Они имеют собственную встроенную схему питания и могут быть напрямую подключены к коммерческим источникам питания. (нет необходимости в отдельных блоках питания).

Однако они занимают гораздо большую площадь, поскольку помимо эмиттера, приемника, усилителя и схемы контроллера должны содержать всю силовую электронику и схему питания.

Датчики площади

Зонные датчики - это модифицированная версия датчиков со сквозным лучом, которые могут обнаруживать объекты с помощью нескольких лучей. Они полезны при обнаружении объектов, которые могут иметь различную высоту ориентации, например, мелких деталей.

Особенности фотоэлектрического датчика

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

Фотоэлектрические датчики также чрезвычайно быстры и имеют очень высокое разрешение для точных приложений. Кроме того, они имеют самый большой диапазон чувствительности - более 10 метров по сравнению с магнитными и ультразвуковыми аналогами.

Выравнивание, калибровка и настройка фотоэлектрических датчиков также очень просты, поскольку световой луч виден невооруженным глазом (только для моделей, излучающих видимый свет).

Регулировка чувствительности фотоэлектрического датчика

Регулировка чувствительности фотоэлектрических датчиков очень проста. Некоторые датчики оснащены специальной кнопкой, называемой "обучение", а другие - потенциометром, который можно вращать с помощью отвертки. Типичный фотоэлектрический датчик имеет два светодиодных индикатора: зеленый для индикации питания и оранжевый для индикации текущего состояния выхода.

Чтобы настроить чувствительность потенциометра, полностью поверните потенциометр против часовой стрелки при отсутствии объекта. Затем поместите объект перед датчиком и поворачивайте потенциометр по часовой стрелке до тех пор, пока не загорится оранжевый светодиод. 

Где используются фотоэлектрические датчики?

Фотоэлектрические датчики используются во многих бесконтактных системах обнаружения объектов. К ним относятся,

• Проверка и подсчет предметов, движущихся по конвейеру
• Определение цветов
• Измерение расстояний
• Измерение смещения
• Определение близости (наличие/отсутствие объекта)

В чем разница между датчиками приближения и фотоэлектрическими датчиками?

Датчики приближения обычно используют электромагнитные или емкостные поля для обнаружения присутствия объектов. Фотоэлектрические датчики используют световые лучи для обнаружения объектов. Существуют датчики приближения, использующие для обнаружения световые лучи.

Фотоэлектрические датчики чрезвычайно быстры по сравнению с датчиками приближения, поскольку для обнаружения объектов они используют световые лучи. Это происходит потому, что свет распространяется с очень высокой скоростью. Датчикам приближения может потребоваться до нескольких миллисекунд, чтобы правильно обнаружить объект.

Датчики приближения имеют относительно более низкую стоимость, чем их фотоэлектрические аналоги. Это объясняется относительно простой конструкцией датчиков приближения. Однако датчики приближения обычно крупнее фотоэлектрических датчиков.

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

Из каких четырех основных частей состоит фотоэлектрический датчик?

Существует четыре основных этапа работы фотоэлектрического датчика:

Источник света

Эта секция отвечает за излучение света. Современные фотоэлектрические датчики основаны на светодиодах (Light Emitting Diodes), которые могут иметь либо инфракрасный (IR), либо видимый свет, например, красный, зеленый или синий цвет. Большинство датчиков используют метод импульсной модуляции для передачи серии непрерывных импульсов, чтобы уменьшить внешние помехи, вызванные аналогичными источниками света.

Приемник света

Схема приемника принимает отраженный/излученный 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 формирование сигнала для приемника. В ней также есть синхронный детектор и усилительный каскад для обнаружения наличия/отсутствия или изменения принимаемого сигнала.

Выходная цепь

Выходная цепь управляет конечным выходным сигналом. Существуют все типы выходных цепей, включая выходы NPN/PNP и релейные выходы. Некоторые датчики могут выводить аналоговые сигналы, а некоторые даже могут напрямую управлять значительно большой нагрузкой вместо того, чтобы выдавать только сигнал.

Как настроить фотоэлектрический датчик?

Фотоэлектрические датчики выпускаются с несколькими типами выходов, включая транзисторные выходы, такие как PNP или NPN, и релейные выходы. На рисунке ниже показана схема подключения блока эмиттера для датчика сквозного луча. При подаче напряжения 0 В на розовый провод эмиттер включается.

Приемник датчика сквозного луча, показанного ниже, имеет выходы типа NPN. Черный выход остается на высоком напряжении (12 или 24 В в зависимости от источника питания). При обнаружении объекта он подключается к 0 В, заставляя ток протекать через подключенную нагрузку. Чтобы взаимодействовать с датчиками типа NPN, ПЛК должен иметь входную плату типа PNP.

Заключение

В этой статье мы рассмотрели общее устройство фотоэлектрических датчиков, технологию, лежащую в основе их работы, и типы датчиков, доступных в промышленности. Фотоэлектрические датчики - это высокоточные и точные датчики, которые используются в высокоточном оборудовании и общих приложениях для обнаружения объектов.