Принцип работы оптического датчика и их разновидности

Содержание:

• Что такое оптический датчик
• Как работает оптический датчик
• Виды оптических датчиков
• Классификация по оптической схеме
• Классификация по типу источника света
• Специализированные оптические датчики
• Область применения оптических датчиков
• Конвейерные и логистические комплексы
• Упаковочная и полиграфическая промышленность
• Автомобилестроение и роботизация
• Металлообработка и машиностроение
• Фармацевтика и пищевое производство
• Что нужно учесть при выборе оптического датчика
• Вопрос-Ответ

Современное промышленное производство невозможно представить без систем контроля и обнаружения. Высокоскоростные конвейерные линии, роботизированные ячейки, упаковочные автоматы и системы сортировки требуют мгновенной и безошибочной фиксации объектов. 

Среди разнообразия контрольно-измерительных приборов значительное место занимают оптические датчики. Благодаря способности обнаруживать объекты из любых материалов на расстояниях от долей миллиметра до десятков метров, эти устройства стали базовым элементом систем промышленного интернета вещей (IIoT) и АСУ ТП.

Что такое оптический датчик

Оптический или фотоэлектрический датчик — это электронное устройство для бесконтактного обнаружения наличия, передвижения, измерения габаритов или оптических свойств объектов с помощью светового излучения.

В отличие от индуктивных сенсоров, реагирующих исключительно на металлы, или емкостных, чувствительных к диэлектрической проницаемости среды на малых дистанциях, оптические датчики универсальны. Они способны регистрировать твердые, жидкие, сыпучие, прозрачные, матовые и зеркальные тела на малых и больших расстояниях.

Оптический датчик преобразует импульс видимого, инфракрасного или лазерного спектра в электрический дискретный либо аналоговый сигнал, а также в цифровые интерфейсы.

Как работает оптический датчик

Принцип действия оптического датчика базируется на изменении параметров светового луча при его взаимодействии с контролируемым объектом. Излучатель генерирует световой поток, направленный в рабочую зону, а приемник фиксирует изменения — ослабление, перекрытие или обратное отражение.

Оптический датчик включает:

1. Источник излучения: чаще всего полупроводниковый светодиод красного или инфракрасного диапазона, а также твердотельные лазерные диоды. Красный свет удобен для видимой визуализации, инфракрасный датчик применяется для повышенной дальности и в запыленных цехах, лазер способен сформировать узкий луч и обнаружить малые объекты на больших расстояниях.
2. Оптическая система: совокупность фокусирующих линз, поляризационных светофильтров и диафрагм. Линзы концентрируют поток света в заданный угол, а фильтры убирают фоновую засветку.
3. Приемник: фотодиод, фототранзистор или многоэлементная матрица преобразуют световой поток в электрический сигнал.
4. Электронный блок обработки: включает импульсный модулятор, синхронный детектор, усилитель сигнала и выходной ключ.

Промышленная среда характеризуется множеством уровнем световых помех: в виде естественного освещения, мерцания ламп, вспышек электросварки. Чтобы исключить ложные срабатывания, оптические датчики не работают на постоянном световом потоке.

Генератор подает на излучатель высокочастотные импульсы, датчик излучает прерывистый свет строго определенной частоты. Усилитель пропускает только импульсы заданной частоты и фазы, полностью игнорируя фоновую засветку. Демодулированный сигнал подается на компаратор и сравнивается с заданным уровнем чувствительности. Выходной транзистор открывается или закрывается, передавая сигнал на логический контроллер.

Виды оптических датчиков

В промышленной автоматизации фотоэлектрические датчики классифицируются по трем ключевым критериям: оптической схеме взаимодействия с объектом, спектральному составу излучения и конструктивному исполнению.

Классификация по оптической схеме

Какие оптические датчики бывают исходя из физики регистрации объекта:

1. Барьерные датчики

Конструктивно состоят из двух независимых корпусов: отдельного излучателя и отдельного приемника, расположенных друг напротив друга на одной оси. Работа оптического датчика происходит при физическом прерывании луча объектом.

• Преимущества: дистанция срабатывания до 50–100 метров, высочайшая оптическая мощность, невосприимчивость к цвету, блеску и текстуре объекта, абсолютная стабильность в загрязненных средах (пыль, туман, масляная взвесь).
• Недостатки: необходимость монтажа и прокладки кабеля к двум разнесенным точкам, сложность взаимной настройки на больших расстояниях.

2. Рефлекторные датчики

Излучатель и приемник смонтированы в одном корпусе. Специальный отражатель возвращает световой луч строго в точку излучения независимо от угла падения.

Для исключения ложных сигналов от блестящих металлических деталей оптические датчики положения оснащают поляризационными фильтрами. Прямой блик от детали блокируется фильтром приемника.

• Преимущества: подвод кабеля только с одной стороны, дальность действия до 10–15 метров, простота настройки.
• Недостатки: чувствительность поверхности катафота к загрязнению, необходимость точного подбора типа рефлектора.

3. Датчики диффузного отражения

Излучатель и приемник датчика объединены в одном корпусе, а отражающей поверхностью служит сам контролируемый объект. Срабатывание происходит, когда отраженная объектом диффузная доля света попадает в линзу приемника.

• Преимущества: простота и экономичность монтажа, компактность, универсальность, быстрота перенастройки.
• Недостатки: сильная зависимость от цвета и фактуры объекта, сравнительно небольшая дальность действия, риск ложных срабатываний от заднего фона.

Виды диффузных датчиков:

• Стандартные энергетические датчики регистрируют общую интенсивность отраженного света, сильно зависят от оптических свойств цели.
• Датчики с подавлением заднего фона работают на триангуляционном принципе, измеряют угол падения отраженного луча, а не его силу. Способны фиксировать темный объект на светлом фоне на расстоянии всего в несколько миллиметров позади него.
• Датчики с подавлением переднего плана фиксируют фон и выдают сигнал при перекрытии луча посторонним предметом спереди.

 Классификация по типу источника света

• Инфракрасные датчики (длина волны 850–950 нм, невидимый спектр). Характеризуются максимальным КПД оптопар, наибольшей мощностью пробивания оптических сред (дым, пар, запыленность). Идеальны для тяжелой промышленности.
• Красные светодиодные датчики (длина волны 630–660 нм, видимое пятно света). Визуальное восприятие существенно облегчает пусконаладку и механическую юстировку сенсора. Оптимальны для упаковочного и фасовочного оборудования.
• Лазерные датчики. Сфокусированный луч диаметром менее 1 мм работает на дистанциях в несколько метров. Незаменимы для контроля микродеталей, позиционирования кромок печатных плат и измерения зазоров.

Специализированные оптические датчики

Для решения нестандартных задач промышленной автоматизации применяются узкоспециализированные датчики:

• Датчики контрастной метки анализируют разницу коэффициентов отражения между меткой и фоном на полотне упаковки. Используют многоцветные RGB-излучатели, автоматически выбирая оптимальный цвет подсветки для достижения максимального контраста.
• Датчики цвета оснащаются матричным RGB-приемником и раскладывают спектр отраженного излучения по трем цветовым координатам, сравнивая его с эталоном, записанным в памяти.
• Люминесцентные ультрафиолетовые датчики применяются для контроля невидимых маркировок, клеевых швов, защитных этикеток, мелованной бумаги.
•  Волоконно-оптические усилители используются в условиях экстремальных температур до +300 °C, в зонах с взрывоопасной средой или в условиях дефицита пространства.
• Световые оптические датчики служат для аварийной остановки прессов, штампов и роботов при пересечении зоны рукой оператора.

Область применения оптических датчиков

Гибкость настройки оптических датчиков определила их распространение в различных отраслях автоматизированного производства:

Конвейерные и логистические комплексы

На автоматизированных складах и распределительных хабах оптические датчики решают задачи контроля потока материалов:

• Фиксация прохождения коробок, паллет и лотков.
• Определение габаритов груза с помощью световых измерительных сеток для динамического подбора ячеек хранения.
• Считывание штрихкодов и матричных кодов сканерами на базе оптических сенсоров.

Упаковочная и полиграфическая промышленность

• Точное позиционирование рулонных материалов по фотометке перед поперечным резом.
• Проверка наличия крышки, пробки или фольги под пробкой на линиях розлива.
• Обнаружение прозрачных ПЭТ-бутылок и пленок с помощью поляризованных рефлекторных датчиков.

Автомобилестроение и роботизация

• Контроль захвата деталей сварочными роботами на манипуляторах.
• Определение присутствия крепежных клипс, уплотнителей и технологических отверстий в кузовных элементах.

Металлообработка и машиностроение

• Контроль целостности режущего инструмента.
• Фиксация подачи заготовок в зону штамповочного пресса.
• Измерение толщины ленты, диаметра намотки бухт металла.

Фармацевтика и пищевое производство

• Проверка заполнения блистеров таблетками.
• Отбраковка флаконов с дефектами этикеток.
• Мониторинг уровня жидких и пастообразных сред в емкостях.

Что нужно учесть при выборе оптического датчика

Ошибки на этапе подбора оборудования приводят к нестабильной работе линии, ложным срабатываниям и преждевременному выходу сенсоров из строя. При выборе модели датчика необходимо руководствоваться комплексным подходом в подборе измерительных приборов.

Параметры оптического датчика для подбора нужного варианта:

1. Физические свойства контролируемого объекта. 
2. Дистанция сканирования и геометрия зоны контроля.
3. Условия окружающей среды:
4. Электрические параметры и интеграция в АСУ ТП

Вопрос-Ответ

1. Для чего нужен оптический датчик в промышленном оборудовании?

Оптический датчик нужен для бесконтактного контроля параметров технологического процесса. Он выполняет функции позиционирования, подсчета продукции, контроля целостности, сортировки, а также обеспечивает безопасность персонала при работе с опасными агрегатами.

2. Где используются оптические датчики?

Оптические датчики нашли применение практически во всех сегментах автоматизации: конвейерной логистике и автоматизированных складах, пищевой и упаковочной промышленности, фармацевтике, автомобилестроении и металлообработке, системах безопасности оборудования.

3. Почему оптический датчик диффузного типа может давать ложные срабатывания?

Основные причины нестабильной работы диффузного датчика:

• Высокая отражающая способность фона
• Загрязнение оптического окна пылью, конденсатом или технологическими жидкостями
• Наличие мощных источников импульсных оптических помех
• Превышение допустимой дистанции сканирования