Фотодатчики присутствуют практически в каждой автоматизированной системе. Они преобразуют неэлектрические сигналы в электрические величины, например, используются для обнаружения перемещения объекта, степени освещенности. Фотодатчики определяют изменения в лучах окружающего света и фиксируют их.
Из чего состоит фотодатчик?
Фотоэлектрический датчик состоит из:
- Излучателя или источника светового излучения — устройства, испускающего световые лучи. Например, светодиод излучает свет определенных цвета и длины волны, в момент, когда через него проходит электрический ток. Излучатель может работать в большом диапазоне температур.
- Фотодетектора — используется для измерения светового потока или световой мощности. Приемник светового сигнала работает на основе свойства, называемого фотоэффектом, когда электроны в материале высвобождаются при поглощении фотонов света.
- Линзы — используется для изменения направления и фокусировки света, увеличения расстояния, на котором можно обнаружить объект.Состоит из прозрачного материала, обычно стекла или пластика, имеющего форму выпуклой или вогнутой поверхности.
- Выходного элемента — это устройство, которое преобразует световой сигнал, полученный фоточувствительным элементом, в электрический сигнал. Роль выходного элемента в фотодатчике заключается в том, чтобы преобразовать световой сигнал в форму, которая может быть обработана и использована для выполнения конкретной задачи.
Выбор выходного устройства фотодатчика зависит от сферы применения. Например, фотодиод представляет собой полупроводниковый прибор, который имеет два электрода: анод и катод. Когда свет попадает на фотодиод, он вызывает генерацию заряда в материале детектора, который протекает через электроды и создает электрический сигнал. Этот сигнал может быть использован для управления другими устройствами или обработки данных.
Принципы работы фотоэлектрических датчиков
Основной характерной чертой фотодатчиков является бесконтактный принцип работы. Их задача: зафиксировать объект на расстоянии, заданном определенным диапазоном.
Принцип работы фотодатчика зависит от оптической схемы:
- На основе перекрытия луча. Приемник и излучатель находятся в двух противоположных корпусах. Поверхность объекта определяется датчиком в момент перекрытия им пути луча от излучателя к приемнику. Фотодатчики с такой оптической схемой используют, когда нужен большой рабочий диапазон.
- С отражением от рефлектора. Работает на основе принципа отражения света. В этой оптической схеме световой луч от источника света направляется на рефлектор, который отражает свет в определенном направлении. При этом световые лучи, отраженные от рефлектора, могут быть сфокусированы на определенной точке или распределены по определенной области. Датчики используются для обнаружения крупных объектов.
- С отражением от объекта. Принцип работы оптической схемы заключается в том, что излучатель посылает световой луч на объект, который отражает световой луч обратно к датчику. Оптическая система собирает отраженный свет и направляет на фотодетектор. Фотодетектор измеряет его и преобразует в электрический сигнал, который затем обрабатывается, чтобы определить присутствие или отсутствие объекта.
Фотодатчики всегда реагируют на определенный свет, например, в инфракрасном, красном или зеленом диапазонах.
Виды фотоэлектрических датчиков
Фотоэлектрические датчики делятся на категории в зависимости от воздействия светового луча на фотодетектор:
- Первые воспринимают изменения световых лучей, если объект двигается, меняет свои размеры, форму, поверхность. При этом с помощью линзы и излучателя создается параллельное равномерное световое излучение.
- Вторые анализируют световой луч, который отражается от поверхности самого объекта. Светодиод направляет на объект световой луч через специальную линзу, затем он поступает на приемник. Вывод делается на основе количества, частоты и длины волн света.
- Третьи улавливают поток света, который испускает сам объект. Здесь отсутствует излучатель и световые потоки фокусируются с помощью линзы, а потом отправляются на датчик.
Современные фотодатчики выводят информацию об объекте в виде цифрового сигнала, легко воспринимаемого и обрабатываемого любым контроллером.
Разновидности фотоэлементов
Есть несколько видов фотоэлементов:
Фотоэлементы с внешним фотоэффектом работают на основе принципа генерации электронов под действием света. Световую энергию они преобразовывают в электрическую. В составе — металлический катод и анод, разделенные диэлектриком. Катод обычно покрыт фоточувствительным материалом, например, цезием или калием. Под действием света фоточувствительный материал поглощает энергию фотонов и выделяет электроны, которые могут быть собраны анодом.
У них высокая устойчивость к перепаду температур, однако применение возможно при использовании высокого напряжения, которое может достигать тысячи вольт. Их недостаток — в хрупкости стеклянной колбы и потере чувствительности фотоэлемента.
Вентильные фотоэлементы — используют внутренний фотоэффект для генерации электронов при попадании световых лучей на их поверхность. Электроны, полученные в результате внутреннего фотоэффекта, могут быть использованы для создания электрического тока.
Основные преимущества фотоэлементов в долговечности, маленьких размерах, устойчивости к механическим воздействиям. Им не нужен источник питания. Среди минусов — чувствительность к перепадам температур и шуму, инерционность.
Фоторезистор по конструкции схож с обычным резистором. Состоит из керамической подложки с первым слоем из светочувствительного материала. Второй слой представляет собой изогнутую в виде змейки проволоку. С двух сторон на подложке — выводы фоторезистора.
Преимущества фотоэлементов в высокочувствительности, прочности и компактных размерах, они могут использовать для работы переменный и постоянный ток.
Фотодиоды состоят из металлического цилиндра, линзы и двух выводов. Их свойства изменяются под воздействием световых лучей. Фотодиодам необходим источник питания, они обладают высокой чувствительностью.
Определить, датчик с каким фотоэлементом подходит для конкретной задачи, могут специалисты сферы промышленной автоматизации.
Другие характеристики фотодатчиков
Есть два вида фотоэлектрических датчиков, которые срабатывают на:
- затемнение;
- свет.
Современные фотодатчики могут переключаться между двумя режимами работы.
Датчики также отличаются в зависимости от способа подключения: разъемные, с кабелем, с разъемом на кабеле.
Например, фотоэлектрические датчики фирмы SICK серии GR18 с цилиндрическим корпусом, выполненным из металла или пластика, обладают ярким и хорошо видимым излучающим светодиодом PinPoint, светодиодными индикаторами состояния.
Датчики серии DeltaPac предназначены для повышения эффективности и качества упаковочной промышленности, имеют 4 режима работы, квадратную форму, подходят для производства объемом в 200 000 упаковок.
Фотодатчики серии MultiPac с прямоугольным корпусом способны обнаруживать объекты с необычной поверхностью: глянцевой, неровной, черной, блестящей. Их светодиод обладает повышенной мощностью, максимальное расстояние до объекта может достигать 500 мм.
Фотоэлектрические датчики SICK серии H18 SureSense могут обнаруживать практически любые объекты: черные, прозрачные, обладающие неровной поверхностью. Корпус сделан из сверхпрочного пластика, в них есть две пары светодиодных индикаторов, световая полоса индикации уровня сигнала.
Каждая серия фотодатчиков имеет свои характеристики и сферы применения.
Что необходимо знать при установке фотоэлектрических датчиков?
Есть несколько вещей, которые следует знать для установки фотодатчиков:
- Датчик должен захватывать необходимый диапазон помещения.
- Используйте кронштейны, чтобы предотвратить излишнюю вибрацию.
- Фиксируйте кабели и разъемы, чтобы они не болтались.
- Защищайте фотоэлектрические датчики и провода кожухами во избежание оседания пыли, механических воздействий.
- Своевременно очищайте устройства.
- Для защиты датчика также обеспечьте установку в местах, куда не попадают яркие лучи света.
Учитывайте также, что форма и размер объекта влияют на расстояние, при котором срабатывает датчик.
В каких сферах находят применение фотоэлектрические датчики?
Фотодатчики используют в:
- Автоматизации производства — чтобы определять наличие или отсутствие объектов на конвейерной ленте, контролировать скорость и позицию объектов.
- Медицинской технике — чтобы измерять пульс, проверять насыщение кислородом крови.
- Научных исследованиях — для измерения интенсивности света, спектрального состава, временных характеристик и других параметров света в научных исследованиях.
Датчики находят использование не только в промышленных сферах, но и в энергетике, робототехнике, микроэлектронике, микробиологической промышленности.
Выбирая датчики опирайтесь на их оптическую схему, возможность монтажа, тип фотодатчика, чувствительность, диапазон волн, ширину луча, который может пройти через датчик, энергопотребление, расстояние до объекта.
Помочь правильно подобрать серию, вид фотодатчика помогут опытные специалисты из сферы промышленной автоматизации.
