Фотоэлектрические датчики

1. Фотоэлектрические датчики

Принцип работы фотоэлектрических датчиков позволяет
обнаруживать любые типы объектов прозрачные, непрозрачные,
отражающие. Они также используются для обнаружения людей
(автоматические двери и барьеры безопасности).

2.

Принцип работы (рис. 13)
Светодиод
излучает
световые
импульсы,
обычно
в
инфракрасном диапазоне (850 - 950 нм). В зависимости от
присутствия или отсутствия объекта, световой импульс
принимается
или
не
принимается
фотодиодом
или
фототранзистором. Получаемый в результате фотоэлектрический
ток усиливается и поступает на компаратор, который сравнивает
его с пороговым значением. На основании этого сравнения на
выход датчика поступает тот или иной дискретный сигнал.
Рис. 13 Принцип работы фотоэлектрического датчика

3.

Различные системы обнаружения
Системы на основе сквозного луча (рис. 13а)
Светоизлучатель и светоприемник выполняются в отдельных
корпусах. Светоизлучатель, состоящий из светодиода и
рассеивающей линзы, формирует параллельный пучок лучей, а
светоприемник, состоящий из фотодиода (фототранзистора) и
собирающей линзы, формирует ток, пропорциональный световой
энергии, полученной от фотоизлучателя. Такая система делает
возможным получение дискретного сигнала на основании того,
пересекает ли объект световой луч в данный момент или нет.
Рис. 13а Датчик на основе сквозного луча

4.

Достоинства: большая дистанция обнаружения объекта (до 50
м, а в отдельных случаях и больше), этот параметр зависит от
размеров датчика и от типа используемых линз.
Недостатки:
необходимость
раздельного
питания
светоизлучателя и светоприемника.
Кроме того, при расстояниях, превышающих 10 м,
выравнивание и регулировка светоизлучателя и светоприемника
может вызвать трудности.
Системы
на
основе
отражения
Системы
на
основе
отражения бывают двух видов:
стандартные
и
поляризованные.
Стандартное
отражение
(рис. 14)
Световой луч находится в
Рис. 14 Принцип
инфракрасном диапазоне (850 фотоэлектрического отражения
950 нм).

5.

Достоинства: светоизлучатель и светоприемник выполняются в
одном корпусе, поэтому требуется только один блок питания.
Дальность обнаружения такой системы по-прежнему велика, но
все же меньше, чем у системы на основе сквозного луча
(приблизительно до 20 м).
Недостатки: отражающий объект (окно, кузов автомобиля и
т.д.) может быть воспринят устройством как отражатель, и
соответственно не обнаружен.
Поляризованное отражение (рис. 15)
Световой луч находится в красном диапазоне (660 нм).
Излучаемый свет вертикально поляризуется линейным
поляризационным фильтром. Отражатель изменяет поляризацию
света таким образом, что у отраженного света появляется горизонт
составляющая. Принимающий линейный поляризационный
фильтр принимает горизонтально поляризованный свет и
пропускает его к фотоприемнику.
В отличие от отражателя отражаемый объект (зеркало,
металлический лист) не изменяет
поляризацию света, поэтому
отраженный от объекта свет не может пройти через принимающий
поляризационный фильтр (рис. 16).

6.

Достоинства: отсутствие проблем, присущих системам
стандартного отражения.
Недостатки: высокая стоимость датчика и малая дальность
обнаружения: 8 м против 15 м у датчиков стандартного отражения.
Рис. 15 Принцип поляризованного
фотоэлектрического отражения
Рис. 16 Поляризованная система
отражения: принцип отсутствия
определения отражающих объектов

7.

Системы на основе прямого отражения от объекта
Прямое отражение от объекта стандартного типа (рис. 17)
Работа такой системы основана на том, что свет попадает на
фотоприемник, отразившись от обнаруживаемого объекта.
Рис. 17 Принцип стандартного прямого
фотоэлектрического определения

8.

Преимущества: отпадает необходимость в отражателе.
Недостатки: дальность обнаружения очень мала (до 2 м). Она
также зависит от цвета объекта и фона, на котором этот объект
расположен. Например, при прочих равных условиях
максимальная дальность обнаружения объекта белого цвета будет
выше, чем серого или черного. Фон, который имеет более яркий
оттенок, чем объект, может сделать обнаружение последнего
невозможным.
Прямое отражение с фоновым подавлением (рис. 18)
В таких системах используется триангуляция.
Дальность обнаружения (до 2 м) зависит не от отражающих
свойств объекта, а от его расположения относительно датчика.
Яркие и темные объекты могут быть зафиксированы на
одинаковом расстоянии, а фон, расположенный за пределами
рабочей зоны чувствительности, будет игнорироваться.

9.

Рис. 18 Принцип прямого фотоэлектрического
определения с подавлением влияния объекта
заднего плана

10.

Оптоволоконные системы
Принцип работы
Распространение световой волны по оптоволоконному кабелю
основано на полном внутреннем отражении.
Внутреннее отражение может быть полным в том случае, если
световой луч проходит из одной среды в другую, имеющую
меньший коэффициент преломления по отношению к первой. Кроме
этого, отражение без потерь возможно только в том случае, если
угол падения луча будет больше критического значения [θc] (рис.
19).
Рис. 19 Принцип распространения луча
света в оптическом волокне

11.

На внутреннее отражение влияют два фактора: коэффициент
преломления и критический угол. Эти величины связаны
следующим равенством:
n
sin c 2 .
n1
Если известны коэффициенты преломления обеих сред, то
вычисление критического угла не составляет труда.
С точки зрения физики коэффициент преломления среды
представляет собой отношение скорости света в вакууме (с) к
скорости света в рассматриваемой среде (v).
c
n .
v
Коэффициент преломления воздуха принимается равным
коэффициенту преломления вакуума и равен 1, поскольку скорости
света в обоих средах практически одинаковы.

12.

Существуют два типа оптического волокна: многомодовое и
одномодовое (рис. 20)
Рис. 20 Типы оптических волокон

13.

Многомодовое
Это такое волокно, где диаметр сердечника, который проводит
свет, больше длины световой волны (Ф = от 9 до 125 μм, L0 = от 0.5
до 1 μм). В этом волокне применяются два типа распространения:
ступенчато изменяющийся показатель и плавно изменяющийся
показатель.
Одномодовое волокно
Это волокно имеет диаметр меньше длины световой волны (Ф <= 1
μм, L0 = обычно 1.5 μм). Здесь применяется ступенчато
изменяющийся показатель распространения. В основном такое
волокно применяется для телекоммуникаций.
Данное объяснение наглядно демонстрирует, какая осторожность
требуется при работе с волокном, например, когда оно растягивается
или изгибается (пониженная нагрузка на растяжение и уменьшенные
радиусы изгиба в соответствии со спецификациями производителя).

14.

Многомодовое
оптическое
волокно
наиболее
широко
используется в промышленности, поскольку оно обладает большей
устойчивостью к электромагнитному воздействию (ЭМС электромагнитная совместимость) и простотой в использовании.
Принцип обнаружения
Оптоволоконный кабель располагается прямо напротив
светодиода с одной стороны и, фотодиода или фототранзистора - с
другой (рис. 21).
Рис. 21 Принцип определения с помощью оптического
волокна

15.

Такой принцип имеет следующие преимущества:
• расположение электронных компонентов вдали от точки
обнаружения;
• работа в замкнутых пространствах или при высоких
температурах;
• обнаружение малогабаритных объектов (около 1 мм);
• в зависимости от конфигурации, работа в режиме сквозного луча
или приближения.
Необходимо помнить, что соединение оптоволоконного кабеля со
светоизлучателем и светоприемником должно быть выполнено с
особой аккуратностью, чтобы избежать потерь сигнала.
Факторы, влияющие на работу фотоэлектрических датчиков
На технические характеристики этих систем обнаружения могут
оказывать влияния многочисленные факторы. Некоторые из них уже
упоминались:
• максимальная дистанция обнаружения;
• тип обнаруживаемого объекта (рассеивающая, отражающая или
прозрачная поверхность, цвет и размер);
• среда (освещенность, тип фона и т.д.).