Принцип работы и применение фотоэлектрических датчиков

Содержание:

Особенности и преимущества
Принцип работы фотоэлектрических датчиков
Для чего применяются фотоэлектрические датчики
Виды фотоэлектрических датчиков
Характеристики и выбор ФЭД

Фотоэлектрический датчик (ФЭД) – электронное устройство, использующее свет для обнаружения объектов или измерения их характеристик – расстояния, цвета или размера. Он работает на основе фотоэлектрического эффекта – свет, падающий на чувствительный элемент, преобразуется в электрический сигнал.

Особенности и преимущества

История оптических датчиков начинается с открытия фотоэлектрического эффекта Генрихом Герцем в 1887 г. В начале 20-го века Эйнштейн теоретически объяснил этот феномен, что послужило основой для создания первых фотоэлементов.

Изначально датчики были большими и медленными, но с развитием технологий, особенно в области полупроводников, они стали компактнее, быстрее и точнее. Современные устройства – это сложные микропроцессорные системы, способные анализировать множество параметров.

Базовая структура ФЭД:

Источники света. В фотоэлектрических датчиках в качестве источников света чаще всего используются светоизлучающие диоды (LED), которые предпочтительны из-за их долговечности, энергоэффективности и компактности. Обычно они излучают инфракрасный свет, невидимый для человеческого глаза. Если требуется обнаружение мелких объектов или работа на больших расстояниях, применяются лазерные диоды, поскольку их луч обладает малым углом расхождения, что обеспечивает высокую точность.
Приемник. В качестве приемника в фотоэлектрических датчиках чаще всего используют фотодиод, который высоко ценится за скорость и чувствительность к свету. Для обнаружения более слабых световых сигналов, где требуется дополнительное усиление, применяют фототранзистор, поскольку он обладает большим коэффициентом усиления, чем фотодиод.
Оптический система. Состоит из линз и фильтров. Линзы фокусируют световой луч, делая его более узким и направленным. Это позволяет увеличить дальность обнаружения и точность работы датчика. Фильтры блокируют посторонний свет (например, солнечный), который может создавать помехи. Благодаря этому датчик работает стабильнее и надежнее, реагируя только на собственный световой сигнал.
Электронный блок. Состоит из нескольких компонентов, работающих последовательно для обработки сигнала. Сначала усилитель принимает слабый электрический сигнал от приемника и многократно увеличивает, делая пригодным для дальнейшей работы. Затем компаратор сравнивает усиленный сигнал с установленным пороговым значением, чтобы точно определить, был ли обнаружен объект. Если сигнал превышает этот порог, компаратор формирует сигнал переключения, который передается на выходной каскад. А он преобразует этот сигнал в стандартный формат, который может напрямую управлять внешним устройством, таким как реле, программируемый логический контроллер (PLC) или другой компонент системы автоматизации.

Фотоэлектрические датчики стали незаменимыми благодаря своим преимуществам. Они имеют большой радиус действия, что позволяет обнаруживать объекты на значительном расстоянии, в отличие от индуктивных или ультразвуковых устройств. Кроме того, их универсальность позволяет работать с любыми материалами – от металла и дерева до стекла и пластика. А высокая скорость и точность срабатывания делают их идеальным решением для современных высокотехнологичных производственных линий.

Принцип работы фотоэлектрических датчиков

ФЭД работают на основе фотоэлектрического эффекта, который позволяет им обнаруживать объекты, используя световой луч. Фотоэффект – это явление испускания электронов веществом под действием света. Он бывает внешним и внутренним.

В первом случае электроны полностью вырываются с поверхности материала. Такой эффект наблюдается в металлах и полупроводниках, когда падающий свет имеет достаточно высокую энергию (частоту). Это явление лежит в основе работы фотоэлементов. При внутреннем фотоэффекте электроны не покидают материал, а переходят на более высокий энергетический уровень внутри него. Это приводит к увеличению проводимости полупроводника. Данное явление используется в фотодиодах и фототранзисторах.

Когда объект прерывает или отражает световой луч, количество света, достигающего приемника, изменяется. Электронная схема датчика регистрирует это изменение и активирует выходной сигнал. Например, если луч прерван, сигнал падает до нуля, что и является признаком обнаружения объекта.

Чем больше света попадает на приемник, тем сильнее электрический ток, который он генерирует. Это позволяет датчику различать условия:

Свет есть. Приемник получает полный световой поток, что приводит к генерации максимального тока и формированию одного типа выходного сигнала.
Света нет. Луч прерван объектом или отсутствует. В этом случае ток в приемнике минимален, что дает другой выходной сигнал.
Свет рассеян. В случае диффузных датчиков, свет отражается от поверхности объекта. Интенсивность зависит от цвета и материала поверхности (например, темные поверхности отражают меньше света, чем светлые), что напрямую влияет на силу тока и дальность обнаружения.

Процесс преобразования света в электричество происходит в приемнике датчика. Когда фотоны света попадают на светочувствительный элемент (например, фотодиод), их энергия передается электронам. Если энергия фотона достаточна, она выбивает электрон из его атома, создавая свободные носители заряда (электроны и дырки). Эти заряды под действием внутреннего электрического поля полупроводника начинают двигаться, создавая электрический ток. Сила этого тока прямо пропорциональна количеству падающих фотонов, то есть интенсивности света.

Для чего применяются фотоэлектрические датчики

Универсальность, надежность и возможность работать на большом расстоянии делают фотоэлектрические датчики важным элементом в системах, где требуется бесконтактное обнаружение. Они способны решать широкий спектр задач, от самых простых до сложных, обеспечивая высокую эффективность и безопасность.

ФЭД используются в разных областях:

Конвейерные системы. Фотоэлектрические датчики используются для подсчета продукции (контролируют ее прохождение по конвейерной ленте), сортировки товаров по размеру, цвету или наличию этикетки.
Упаковочные линии. Датчики следят за правильным позиционированием упаковочного материала, контролируют наличие продукта перед запечатыванием и определяют, полностью ли заполнены коробки.
Системы безопасности. ФЭД создают световые барьеры. Когда объект или человек пересекает невидимый луч, система немедленно останавливает опасное оборудование, например, пресс или робота.
Контроль уровня. В бункерах или резервуарах датчики определяют уровень сыпучих материалов (зерно, песок) или жидкостей. Они сигнализируют о необходимости пополнения или остановки подачи, предотвращают переполнение.
Робототехника. В роботах ФЭД используются для точного позиционирования манипуляторов, захвата деталей, а также для избегания столкновений с другими объектами.

Помимо промышленного сектора, фотоэлектрические датчики широко применяются и в повседневной жизни. Например, они используются в автоматических дверях магазинов, чтобы распознавать приближение человека и безопасно открывать проход. Датчики освещенности в смартфонах и планшетах регулируют яркость экрана в зависимости от окружающего света, что помогает экономить заряд батареи. В автомобильной промышленности они служат для создания систем помощи водителю, таких как датчики дождя, автоматически включающие стеклоочистители, и в системах парковки, где они помогают обнаружить препятствия.

Виды фотоэлектрических датчиков

ФЭД классифицируются по принципу работы на три основных вида. Каждый используется для определенных условий и задач.

Оппозитные датчики

Оппозитные фотоэлектрические датчики являются наиболее надежным типом. Они состоят из двух отдельных компонентов: излучателя и приемника, которые устанавливаются друг напротив друга. Излучатель, содержащий источник света (обычно LED или лазер), непрерывно посылает световой поток к приемнику. Последний постоянно регистрирует этот луч. Когда какой-либо объект прерывает этот луч, свет не достигает приемника. Это изменение состояния (свет есть/света нет) детектируется электронной схемой, которая генерирует выходной сигнал, указывающий на наличие объекта.

Достоинства оппозитных датчиков:

Надежность. Поскольку весь световой поток от излучателя направлен прямо на приемник, эти датчики обладают высокой помехоустойчивостью. Они устойчивы к пыли, грязи и другим внешним воздействиям.
Большая дальность действия. Благодаря прямой передаче света без потерь на отражение, эти устройства могут работать на расстоянии до 200 метров и более.
Высокая точность. Они способны обнаружить очень маленькие объекты, так как для срабатывания достаточно, чтобы объект перекрыл часть луча.
Универсальность. Работают с любыми материалами, независимо от их цвета, текстуры или прозрачности, поскольку принцип основан на прерывании луча, а не на его отражении.

Однако монтаж датчиков сквозного луча сложен, поскольку он требует установки двух отдельных компонентов, излучателя и приемника, которые должны быть точно выровнены по одной оси. Эта необходимость в двух блоках также делает их более дорогими по сравнению с устройствами, имеющими один корпус.

Рефлекторные датчики

Это фотоэлектрические датчики, которые объединяют излучатель и приемник в одном корпусе. Для их работы требуется специальный световозвращающий отражатель (рефлектор).

Рефлекторный датчик функционирует по принципу «свет туда и обратно». Он излучает модулированный луч в сторону специального отражателя, который возвращает его обратно в приемник, находящийся в том же корпусе, что и излучатель. Когда объект пересекает пространство между датчиком и отражателем, он прерывает этот световой путь. В результате приемник перестает регистрировать свет, и это изменение состояния приводит к срабатыванию датчика.

Важной особенностью таких устройств является использование поляризационного фильтра. Излучатель посылает свет, поляризованный в одной плоскости. Отражатель, состоящий из множества крошечных призм, изменяет поляризацию света на 90 градусов. Приемник пропускает только свет с измененной поляризацией. Это позволяет исключить ложные срабатывания от отражений, например, от глянцевых или блестящих поверхностей, которые не изменяют поляризацию.

Преимущества рефлекторных датчиков:

Простота монтажа. Устанавливать и подключать нужно только один компонент (сам датчик).
Большая дальность. Могут работать на расстоянии до 15 метров.
Надежность. Благодаря поляризационным фильтрам датчики устойчивы к ложным срабатываниям от отражающих поверхностей.

Однако рефлекторные датчики имеют и ряд недостатков. Им требуется специальный отражатель, который должен быть правильно установлен и находиться в зоне видимости. Еще с использованием поляризационных фильтров, они могут некорректно работать с прозрачными или блестящими объектами, так как такие поверхности могут пропускать или возвращать свет, вызывая ложные срабатывания. Наконец, дальность действия этих датчиков меньше, чем в устройств типа «сквозной луч», из-за неизбежной потери части энергии светового луча при отражении.

Диффузные датчики

Это фотодатчики, которые объединяют излучатель и приемник в одном корпусе и работают, используя свет, отраженный непосредственно от объекта. В основе работы лежит принцип рассеянного отражения. Датчик испускает модулированный световой луч. Когда объект попадает в зону его действия, свет рассеивается от поверхности объекта, и часть возвращается обратно к приемнику, расположенному в том же корпусе. Если интенсивность принятого потока превышает установленный пороговый уровень, датчик распознает объект и формирует выходной сигнал. В отличие от других видов, этому устройству не требуется внешний отражатель; оно полностью полагается на отражательные свойства самого обнаруживаемого предмета.

Преимущества диффузных датчиков:

Простота установки. Для работы нужен только один компонент, что значительно упрощает монтаж и экономит место.
Экономичность. Такие устройства дешевле, чем другие типы датчиков.

К основным недостаткам диффузных фотоэлектрических датчиков относится их зависимость от свойств объекта: на надежность обнаружения напрямую влияют его цвет, текстура и блеск, поскольку темные или матовые поверхности отражают меньше света, что значительно снижает дальность действия. Кроме того, эти устройства работают на ограниченной дальности (обычно до 1-2 метров). Еще один важный минус – чувствительность к фоновым объектам: блестящие поверхности, расположенные за объектом, могут отражать свет обратно на приемник и вызывать ложное срабатывание.

Характеристики и выбор ФЭД

При выборе фотоэлектрического датчика для конкретного применения важно учитывать его основные технические характеристики:

Дальность действия. Это максимальное расстояние, на котором датчик может обнаружить объект. Она зависит от типа устройства (сквозной луч, рефлекторный, диффузный), мощности излучателя, чувствительности приемника и отражательной способности объекта (для диффузных датчиков).
Размер пятна. Это площадь, которую занимает световой луч на расстоянии обнаружения. Чем меньше размер пятна, тем выше точность обнаружения маленьких объектов или определения их положения. Лазерные датчики имеют очень маленькое пятно, что делает их идеальными для высокоточных задач.
Частота переключения. Это максимальное количество срабатываний в секунду (измеряется в Гц). Этот параметр определяет скорость, с которой датчик может работать. Высокая частота переключения важна для быстро движущихся объектов, например, на скоростных конвейерных линиях.
Степень защиты. Этот показатель определяет устойчивость корпуса к проникновению пыли и жидкостей. Например, IP67 означает, что датчик полностью защищен от пыли (6) и выдерживает кратковременное погружение в воду (7). Выбор соответствующего IP важен для работы в суровых промышленных условиях.

Современные ФЭД часто оснащены дополнительными функциями, которые значительно расширяют их возможности. Помимо простого определения наличия объекта, некоторые модели имеют аналоговый выход, который позволяет не только регистрировать факт обнаружения, но и измерять расстояние до него. Многие датчики также обладают программируемыми настройками, позволяющими изменять такие параметры, как чувствительность для адаптации к разным поверхностям, задержка для фильтрации помех, а также выбирать режим работы (свет/темно). Кроме того, в системах, где используется несколько фотодатчиков, они могут быть защищены от взаимных помех за счет встроенных функций, таких как регулировка рабочей частоты.