Фотоэлектрические датчики
Фотоэлектрическиедатчикиреагируют на изменение освещенности.Как правило, фотоэлектрический датчиксостоит из источника и приемникасветового потока (ПСП). Источникомсветового потока может быть сам объектизмерения или специальный осветитель(например, в виде обычной лампынакаливания). Опытный сталевар,рассматривая через темно-синий светофильтррасплавленный металл, может определить«на глаз» его температуру, необходимостьвнесения каких-либо добавок.
Посветовому потоку, исходящему отраскаленного или расплавленного металла,фотоэлектрический пирометр автоматическиизмеряет температуру. В данном случаеисточником светового потока являетсясам объект измерения (рис. 1, а).
Однакочаще используются лампы накаливания,создающие постоянный световой поток,а его изменение происходит под влияниемперемещения шторки (рис. 1, б), прохождениясвета через контролируемую среду (рис.1, в),подвлиянием свойств контролируемогообъекта, от которого отражается световойпоток (рис.
1, г).Всоответствии с этими возможнымивариантами изменения светового потокас помощью фотоэлектрических датчиковможно измерять перемещение и подсчитыватьчисло предметов, определять уровень,прозрачность, задымленность, цветразличных материалов, оценивать качествообработанной поверхности (блеск,шероховатость, окраска). Фотоэлектрическиедатчики используют в оптико-электронныхпреобразователях различных величин.Здесь следует напомнить, что более 75 %всей информации, которую получаетчеловек, воспринимается с помощьюзрения. Поэтому и фотоэлектрическиедатчики, воспринимающие оптическуюинформацию, находят широкое применение.С помощью фотоэлектрических датчиковосуществляется и так называемое«техническое зрение».
Рис.1. Применение фотоэлектрических датчиков(ПСП — приемник светового потока)
Вприемниках светового потокафотоэлектрических датчиков используетсяфотоэффект. Под фотоэффектом понимаютизменение свойств материала при измененииего освещенности. Различают внешний,внутренний и вентильный фотоэффект.Внешнийфотоэффектсостоитв том, что под влиянием потока излученияэлектроны вылетают из катода электроннойлампы и ток эмиссии зависит от освещенностикатода.
Внутреннийфотоэффектпроявляетсяв том, что активное сопротивлениеполупроводникового материала зависитот его освещенности. При вентильномфотоэффектемеждуслоями освещенного проводника инеосвещенного полупроводника, разделенныхтонким изоляционным слоем, возникаетЭДС, которая зависит от освещенности.При внешнем фотоэффекте носители токавыходят за пределы материала, привнутреннем — остаются внутриполупроводника. Вентильный фотоэффект,строго говоря, тоже является внутреннимфотоэффектом.
Всефотоэлектрические датчики являютсяселективными (избирательными), т. е. ихчувствительность зависит от частотысветового излучения.
Иными словами, этидатчики реагируют на определенный цвет:красный, зеленый, синий или другой,включая и невидимую часть спектра(инфракрасное и ультрафиолетовоеизлучения). Диапазон длин волн видимогосвета мкм. Более короткие волны относятся культрафиолетовому диапазону, болеедлинные — к инфракрасному.
Линейка OsiSense XU включает широкий ассортимент диффузных датчиков, датчиков с подавлением фона, поляризованных и лазерных датчиков, измеряющих отраженный свет, а также датчиков со сквозным лучом 4 наиболее популярных формфакторов по всему миру
-
Датчики, применяемые для погрузки материалов, упаковки, нанесения этикеток (технология вилочных датчиков), сборочных установок и производства продуктов питания и напитков
-
Выбор компонентовОбзорПреимуществаПримененияЛитература
Изделия общего назначения
Линейка датчиков диаметром 18 мм XUB (расстояние срабатывания – до 20 м), линейка малогабаритных датчиков XUM (расстояние срабатывания – до 15 м), линейка компактных датчиков 50X50 мм XUK (расстояние срабатывания – до 45 м) и линейка компактных датчиков XUX (расстояние срабатывания – до 60 м) представлены:
-
во всех режимах обнаружения, применяемых для промышленных систем: датчики со сквозным лучом, датчики, измеряющие отраженный свет, поляризованные датчики, измеряющие отраженный свет, диффузные датчики и диффузные датчики с подавлением фона.Мультирежимные датчики (предполагают наличие всех пяти систем обнаружения в одном датчике). Это инновационное решение упрощает выбор настроек и управление техническим обслуживанием.
Линейка XUV вилочных датчиков: наиболее экономически эффективные и простые в установке фотоэлектрические вилочные датчики для малых конвейеров, упаковочных автоматов и автоматов для нанесения этикеток.
Изделия по областям применения
Представлены на рынке в типовых вариантах исполнения
Датчики для считывания кодовых меток, люминесцентные датчики, датчики для прозрачных объектов
Цветовые датчики, датчики обнаружения водосодержащих жидкостей, датчики обнаружения этикеток, лазерные датчики и т. д.
Вы можете приобрести фотоэлектрические датчики всех типовых вариантов исполнения у вашего ближайшего дистрибьютора компании Telemecanique sensors.
Стандартные или мультирежимные датчики.
Более чем широкий выбор «прикладных» датчиков.
-
Датчики для малых и средних автоматов, контрольно-пропускных систем в сферах промышленности и обслуживания.Специальные датчики для систем упаковки, погрузки материалов, сборки, конвейерной транспортировки, производства продуктов питания и напитков и т. д.
Фотоэлектрические датчики (фотодатчики)используются в автоматике для преобразования в электрический сигнал различных неэлектрических величин: механических перемещений, скорости размеров движущихся деталей, температуры, освещенности, прозрачности жидкой или газовой среды и т. д.
По принципу кодирования информации фотодатчики можно разделить на две группы: с амплитудной модуляцией светового потока и с временной или частотной модуляцией.
У датчиков с амплитудной модуляцией значение фототока пропорционально световому потоку, зависящему от управляемой (контролируемой) неэлектрической величины. У датчиков с временной или частотной модуляцией фототок изменяется дискретно за счет полного или частичного прерывания светового потока от воздействия неэлектрической величины. Информация об управляемом (контролируемом) параметре кодируется в этих датчиках в виде числа, частоты или длительности импульсов фототока.
Фотодатчикв общем случае состоит из фотоэлектрического чувствительного элемента (фотоэлемента) источника света и оптической системы. В некоторых случаях фотодатчики используют световое излучение объекта управления (контроля) и не содержат источника света (датчики астрономического компаса, температуры, освещенности и др.). Некоторые датчики с целью упрощения конструкции могут не содержать оптической системы.
В большинстве фотодатчиков преобразование входной неэлектрической величины в электрический сигнал осуществляется в два этапа: сначала происходит ее преобразование в изменение одного из параметров светового потока (силы света, освещенности, спектрального состава и т. п.), а затем это изменение преобразуется фотоэлементом в электрическую величину (фототок, падение напряжения, фото-ЭДС и т.
д.).Все фотодатчики по характеру формирования воздействия светового потока на фотоэлемент можно разделить на несколько видов.1. Фотодатчики, у которых световой поток изменяется за счет перемещения объекта управления (контроля) или изменения размеров объекта(рис.2-7). В этих датчиках источник света 1 и оптическая система (конденсор) 2 формируют параллельный и равномерный световой поток Ф.. В этом световом потоке помещается деталь З, размеры которой нужно контролировать, или заслонка 4, связанная механически с ОУ и перекрывающая часть светового потока.При изменении размера детали d или при перемещении заслонки х изменяется количество света (лучистой энергии), попадающего на фотоэлемент 5.
Для повышения чувствительности световой поток Ф1, содержащий информацию о размерах детали (или о перемещении объекта), собирается оптической системой 6 и фокусируется на светочувствительную поверхность фотоэлемента. По такому принципу работают датчики фотоэлектрических микрометров, датчики длины, площади, деформаций и т. д.
На этом принципе основана работа и дискретных фотодатчиков, таких, как фотоэлектрические датчики (преобразователи) «угол — код», датчики частоты вращения, фотосчитывающие датчики с перфолент, перфокарт, фотодатчики конца магнитной ленты, датчики размеров петли магнитной ленты, находящейся в кармане лентопротяжного механизма ЗУ на магнитной ленте, и т. д.2.Фотодатчики, у которых световой поток попадает на фото элемент после отражения от объекта управления (контроля)(рис. 2-8).
В этих фотодатчиках источник света 1 и оптическая система 2 формируют узкий световой луч, который после отражения от объекта З попадает через собирающую и фокусирующую оптическую систему 4 на фотоэлемент 5.Количество отраженного света, попадающего на фотоэлемент, зависит от отражательной способности поверхности объекта (чистоты обработки, блесткости, наличия участков, покрытых краской, и т. п.). Такие фотодатчики используются в читающих автоматах, способных автоматически считывать и кодировать информацию с текстовых и графических документов, в измерителях чистоты поверхности, фотоэлектрических рефлектометрах, гигрометрах и пр.
3. Фотодатчики, у которых световой поток создается объектом управления (контроля)(рис.2-9).В этих фотодатчиках световой поток, излучаемый ОУ, содержит информацию об управляемом (контролируемом) параметре объекта 1.
Оптическая система 2 собирает и фокусирует световой поток на светочувствительную поверхность фотоэлемента З. Подобные фотодатчики используются в фотоэлектрических измерителях температуры, дозиметрах лучистой энергии, приборах для эмиссионного спектрального анализа.В качестве чувствительных элементов в фотодатчиках используются фотоэлементы с внешним, вентильным и внутренним фотоэффектом.Фотоэлементы с внешним фотоэффектомЭто вакуумные и газонаполненные фотоэлементы, фотоумножители обладают высокой линейностью световой характеристики (зависимость фототока от светового потока), высокой температурной стабильностью характеристик. Однако они имеют и ряд существенных недостатков, ограничивающих их применение в устройствах автоматического управления и контроля: необходимость в повышенном напряжении питания (сотни и тысячи вольт); хрупкость стеклянного баллона и возможность деформации электродов при механических воздействиях; старение и утомляемость фотоэлементов (снижение чувствительности при сильной освещенности).Вентильные фотоэлементыОни отличаются Высокой надежностью и долговечностью не нуждаются в источнике питания, имеют малую массу и габариты.
Недостатками их являются: сильное влияние окружающей температуры; утомляемость и высокая инерционность, ограничивающая применение при частоте прерывания светового потока в несколько десятков герц.Фотодиодыи фототриодышироко применяются в фотодатчиках различного типа. Они имеют линейную световую характеристику, высокую чувствительность, малую инерционность (частота прерывания светового потока может быть до нескольких килогерц), малые габариты. В зависимости от схемы включения различают вентильный и фотодиодный (фототриодный) режимы работы фотодиодов и фототриодов.В вентильном режимефотодиод является генератором фото тока и не нуждается в источнике питания.
Фототриод в вентильном режиме можно рассматривать как комбинированный электронный прибор — фотодиод (п-р-переход цепи база — эмиттер) и собственно триод, усиливающий фототок, который возникает в цепи база — эмиттер под действием светового потока.База фототриода в этом режиме замыкается накоротко с эмиттером. В вентильном режиме фотодиоды и фототриоды используются в фотодатчиках с пропорциональной световой характеристикой (измерение размеров, перемещений, температуры и т. д.).В фотодиодном режимек фотодиоду нужно приложить в обратном запирающем направлении внешнее напряжение.
У фототриодов в фототриодном режиме в цепь базы подается напряжение смещения от внешнего источника.Фотодиодный (фототриодный) режим включения фотодиодов (фототриодов) используется в основном в фотодатчиках с дискретной световой характеристикой (фотосчитывающие устройства с перфолент, перфокарт, фотоэлектрические преобразователи «угол—код», читающие автоматы и т. д.). В фотодиодном (фототриодном) режиме фотодиоды и фототриоды имеют большую чувствительность, чем в вентильном (выходным сигналом в этом режиме является напряжение).Фоторезисторынаряду с фотодиодами и фототриодами находят широкое применение, причем в основном в фотодатчиках с дискретной световой характеристикой.
Достоинством фоторезисторов является высокая чувствительность, стабильность параметров, большая надежность и долговечность, возможность работы, как на постоянном, так и на переменном токе, малые габариты. К их недостаткам следует отнести большую инерционность, сильное влияние окружающей температуры, нелинейность световой характеристики, большой разброс параметров у фоторезисторов одной партии.В качестве источников световой энергии в некоторых фотодатчиках используется сам ОУ (при измерении температуры, освещенности и т. п.).
Большинство же фотодатчиковнуждается в искусственном источнике светового потока. Наибольшее распространение в качестве такого источника в фотодатчиках получили недорогие и простые в эксплуатациилампы накаливания. С целью повышения их надежности и долговечности рабочеенапряжение снижают на 20—З0 % по сравнению с номинальным.Для работы в инфракрасной области спектра применяют специальные излучатели в виде штифтов из жаропрочных полупроводниковых материалов.Менее распространены в фотодатчиках газоразрядные лампы.
Они имеют высокую светоотдачу и потребляют при этом в 2—З раза меньше энергии, чем лампы накаливания. Однако номенклатура этих ламп ограничена, габариты их больше, чем ламп накаливания.Оптические системы фотодатчиков служат для перераспределения в пространстве потока лучистой энергии с целью повышения эффективности воздействия объектов управления (контроля) на параметры лучистого потока. Функции оптических систем фотодатчиков весьма разнообразны и требуют применения самых различных линз, зеркал, призм, диафрагм, дифракционных решеток, светофильтров и т.
д.С целью повышения помехоустойчивости в некоторых фотодатчиках размещается предварительный усилитель выходного сигнала фотоэлемента. Для этой цели в настоящее время в основном используют микроэлектронные операционные усилители.В целом, оценивая фотодатчики, следует отметить их большую универсальность, отсутствие обратного воздействия на объект управления (контроля) — бесконтактность. Недостатками фотодатчиков являются чувствительность к вибрациям, ударам, плохая работа в запыленной, загазованной и влажной среде, помехи от осветительных приборов общего освещения.
Источники:
- www.techtrends.ru
- studfiles.net
- www.tesensors.com
- www.eti.su
