Главная » Статьи » Элементы автоматики

Оптические датчики положения

Оптические бесконтактные датчики положения широко применяются для контроля положения и перемещения объектов или частей технологических установок. Принцип действия оптических датчиков положения основан на измерении степени ослабления оптического луча, прошедшего путь от излучателя до приемника, являющихся частями датчика. Для повышения помехозащищенности и снижения влияния внешних источников освещения в оптических датчиках положения обычно используется модулированное излучение -луч излучателя датчика пульсирует с частотой от 5 до 30 кГц. Излучатель датчика состоит из излучающего светодиода и питающего его генератора последовательности импульсов. В датчиках применяют светодиоды, которые испускают импульсы света в спектре от видимого зеленого света до невидимого инфракрасного излучения в зависимости от сферы применения датчика. Излучатель, кроме того, может иметь регулировки интенсивности излучения и индикатор работы. Приемник состоит из фотодетектора (фотодиода), демодулятора, порогового устройства (триггера) и выходных цепей (PNP или NPN транзистор с открытым коллектором, реле, аналоговый выход NAMUR, IO-link и др.). При необходимости приемник оснащается регулятором чувствительности и индикатором работы.


Оптические датчики положения относятся к фотоэлектрическим датчикам, так как принцип их действия основан на обнаружении световых сигналов. Когда луч света от датчика достигает объекта контроля возникают такие явления как передача света, отражение и поглощение света. То, какое явление преобладает в этом случае зависит от взаимного расположения излучателя и приемника, размеров объекта, его материала, толщины, цвета и шероховатости поверхности. В зависимости от того, на каком оптическом явлении основан принцип обнаружения объектов, оптические датчики положения делятся на три типа:

  • тип T– датчики с приемом прямого луча от излучателя;
  • тип R– рефлекторные датчики с приемом луча, возвращенного от отражателя;
  • тип D– диффузионные датчики с приемом луча, рассеянно отраженного от объекта контроля.

Датчики Т-типа имеют так называемую разнесенную оптику – излучатель и приемник располагаются друг напротив друга на некотором расстоянии. При прохождении объекта между излучателем и приемником оптический луч прерывается и приемник датчика формирует выходной сигнал, сигнализируя о наличии объекта в зоне контроля. Датчики данного типа часто называют барьерными или датчиками с пересечения луча. Приемник и излучатель должны быть из одного комплекта от одного производителя.


Датчики Т-типа удобны для контроля непрозрачных или хорошо отражающих объектов, но могут давать неудовлетворительные результаты при обнаружении прозрачных объектов. Так как излучатель и приемник в датчиках данного типа конструктивно выполнены в разных корпусах, что позволяет установить максимальный коэффициент усиления, то их можно использовать в условиях высокой загрязненности рабочей среды.  Максимальное расстояние между излучателем и приемником, так называемая зона срабатывания, может достигать 350 м.

Зона срабатывания оптических датчиков это диапазон допустимых расстояний от датчика до объекта контроля, на которых осуществляется его обнаружение. Зона срабатывания зависит от взаимного расположения излучателя и приемника, коэффициента усиления, принципов распределения светового луча и диаметра светового пятна, так как приемник датчика срабатывает только при попадании объекта в зону светового пятна. У оптических датчиков Т-типа отсутствует так называемая «слепая» зона, поэтому зона срабатывания равна расстоянию между излучателем и приемником. Размер эффективного светового луча датчика Т-типа равен диаметру линзы излучателя и приемника. Поэтому минимальный размер объекта контроля должен быть больше диаметра линзы датчика.

В датчиках R-типа приемник и излучатель расположены в одном корпусе. Датчики данного типа для своей работы требуют установки специального рефлектора-отражателя. У датчиков положения данного типа излучатель и приемник располагаются в одном корпусе и «смотрят» в одну сторону – в сторону установленного точно напротив датчика на определенном расстоянии специального отражателя. Луч от излучателя проходит двойное расстояние: от излучателя до отражателя и в обратную сторону - от отражателя до приемника. Если на пути луча возникает объект, приемник формирует выходной сигнал. Обратная логика работы датчика может быть реализована путем установки отражателя на объекте, перемещение которого контролируется датчиком. Датчики данного типа еще называют рефлекторными. Рефлекторы, которые еще называют отражателями, катафотами или мишенями, приобретаются отдельно от датчиков. Рефлекторы могут иметь различную форму и размеры. Диапазон измерений рефлекторных датчиков положения обычно указывается при использовании конкретной модели отражателя.

 

Зона срабатывания рефлекторных датчиков (расстояние от линзы излучателя до рефлектора) может достигать 55 м. Размеры контролируемого объекта должны быть больше размеров применяемого рефлектора.

Рефлекторные датчики могут нестабильно работать при обнаружении блестящих объектов, отражающих световой луч датчика от своей поверхности, из-за чего датчик не сможет определить от чего произошло отражение: от рефлектора или объекта. Для обнаружения хорошо отражающих предметов используют рефлекторные датчики с поляризационными фильтрами и специальными угловыми кубическими рефлекторами, изменяющими плоскость поляризации светового луча на 90°. Поляризационные фильтры размещаются перед линзой излучателя и приемника и пропускают только поляризованный в одной плоскости световой пучок. Излученный излучателем пучок света поляризуется в вертикальной плоскости. Световой луч, отраженный от рефлектора имеет измененную на 90° плоскость поляризации -  луч становиться горизонтально поляризованным. Поэтому он без проблем проходит через горизонтальный поляризационный фильтр приемника. Если же луч отражается от блестящего объекта, то его вертикальная поляризация не меняется и он блокируется горизонтальным поляризационным фильтром приемника и датчик обнаруживает этот объект.

При работе с поляризованными рефлекторными датчиками положения не рекомендуется использовать в качестве рефлектора отражающие наклейки – необходимо использовать специальные угловые кубические рефлекторы.

Некоторые модели рефлекторных датчиков способны обнаруживать стеклянные предметы, так как очень чувствительны даже к небольшой разнице между излученным и принятым световым сигналом.

Датчики D-типа по конструкции и принципу действия схожи с датчиками R-типа, но отражателем в данном случае является сам контролируемый объект. Еще одним отличием от датчиков R-типа является то, что при отсутствии объекта оптический тракт оказывается разомкнутым - луч от излучателя попадает в приемник лишь при наличии объекта перед датчиком. Так как приемник датчика принимает рассеяно отраженный от объекта луч, то интенсивность этого луча сильно зависит от характеристик поверхности объекта и расстояния до объекта. Для разных материалов будут разные нормированные расстояния срабатывания. Для грубой корректировки расстояний срабатывания в зависимости от материала объекта нужно использовать корректирующие коэффициенты, указанные в руководстве по эксплуатации датчика, например:

  • Матовая белая поверхность - 1,0;
  • Серый ПВХ – 0,57;
  • Белый пластик – 0,7;
  • Черный пластик – 0,22;
  • Матовый алюминий - 1,2;
  • Полированная нержавеющая сталь – 2,3.

При выборе конкретной модели датчика D-типа особое внимание нужно уделить цвету и шероховатости поверхности объектов контроля. Если предполагается контролировать объекты темного цвета с шероховатой поверхностью необходимо выбирать датчики с возможностью регулировки чувствительности.


Разновидностью датчиков D-типа являются датчики с подавлением переднего фона, заднего фона и переднего и заднего фона одновременно. Датчики с подавлением фона предназначены для обнаружения предметов на строго определенном расстоянии. Оптические датчики с подавлением фона применяются, например, для обнаружение тонких объектов лежащих на конвейерной ленте, контроля наличия продукции в упаковке, небольшого отклонения уровня или плоскостности поверхности объекта, обнаружения объектов движущихся в несколько рядов – датчики с подавлением фона позволяют «разглядеть» объекты во втором ряду не реагируя на объекты в первом, ближнем к датчику ряду и наоборот. 

Регулировка расстояния обнаружения в датчиках с подавлением фона осуществляется не путем изменения его чувствительности, а методом оптической триангуляции. В конструкции датчиков данного типа имеется внутренний датчик положения (PSD – position sensor detector), который определяет угол падения отраженного от объекта луча, а значит расстояние до него. Благодаря измерению угла отражения датчики D-типа с подавлением фона могут обнаруживать все объекты на заданном расстоянии не зависимо от их цвета. 

Максимальное расстояние срабатывание датчиков D-типа редко превышает 4 м. Вблизи датчика существует некоторая «слепая» зона, размер которой зависит от конструкции датчика. Эффективный пучок света диффузионных датчиков равен размеру объекта контроля. Диффузионные датчики намного проще монтировать по сравнению с датчиками Т и R-типа так как при этом не требуется совмещения оптических осей излучатели и приемника или датчика и мишени. По этой же причине датчики D-типа наиболее устойчивое к вибрациям решение из числа оптических датчиков положения.

В сравнении с широко применяемыми в промышленности бесконтактными емкостными, индуктивными и ультразвуковыми датчиками положения, а также механическими концевыми выключателями оптические датчики положения имеют ряд преимуществ:

  • Бесконтактный метод контроля положения и перемещения объекта. Как следствие отсутствует механический износ, дребезг контактов и ложные срабатывания;
  • Зона срабатывания и обнаружения объекта от нескольких миллиметров до нескольких сотен метров в зависимости от типа датчика;
  • Высокая скорость отклика. Датчики положения оптического типа с успехом применяются на конвейерных лентах, где объекты движутся с высокой скоростью и плотностью размещения на ленте. Датчики данного типа могут применятся не только для контроля объектов, но и для счета этих объектов. Частота переключений может достигать 30 кГц;
  • Возможность обнаружения объектов очень малых размеров. Так как оптический луч оптических датчиков положения с помощью системы линз, диафрагм и оптоволоконных кабелей можно сфокусировать в очень тонкий пучок это позволяет контролировать наличие объектов очень небольших размеров;
  • Возможность обнаружения объектов из различных материалов. Если индуктивные и емкостные датчики накладывают определенные ограничения на такие характеристики контролируемого объекта как магнитные свойства и диэлектрическая проницаемость, то оптические датчики, при соответствующей настройке, с успехом обнаруживают объекты практически из любого материала. Оптические датчики положения используются в том числе и для обнаружения тонких и прозрачных объектов, таких как полиэтиленовая пленка. Обычно для этих целей используют датчики с видимым излучением красного цвета;
  • Возможность настройки расстояния срабатывания для выборочного контроля и счета объектов, движущихся перед датчиков в несколько рядов;
  • Наличие таймера срабатывания для подавления случайных оптических помех;
  • Возможность обнаружения объектов с очень высокой температурой, например, литья, поковок, проката и т.п;
  • Нечувствительность к магнитным полям, электростатическим помехам;
  • Нечувствительность к ионизирующему излучению и возможность установки в крайне стесненном пространстве (для оптоволоконных оптических датчиков положения).

К недостаткам оптических датчиков положения можно отнести:

Возможность ложных срабатываний при работе в условиях высокой запыленности, тумана, интенсивной внешней засветки, низких температур, сильной вибрации;

  • Невозможность обнаружения объекта через непрозрачную преграду или стенку резервуара или контейнера;
  • Трудоемкую процедуру совмещения оптических осей излучателя и приемника у датчиков T-типа при их монтаже, особенно если расстояние между ними превышает несколько десятков метров;
  • Необходимость настройки чувствительности датчика у датчиков D-типа, в зависимости от отражающей способности поверхности контролируемых объектов;
  • Постепенная деградация излучателя (светодиода) датчика из-за чего интенсивность его излучения постепенно падает и со временем может потребоваться подстройка чувствительности датчика;
  • Наличие слепых зон у датчиков D и R-типа. Слепой называется зона от активной поверхности оптического датчика до минимального расстояния его срабатывания. В слепой зоне объект не обнаруживается датчиком.

С помощью оптических датчиков положения можно не только контролировать положение объектов и вести их счет на высокой скорости, но и оценивать их геометрические размеры в одном или даже двух измерениях. Такая возможность осуществляется с помощью световых барьеров и световых решеток – множества фотоэлектрических датчиков объединенных в линейки с определенным шагом размещения датчиков в ней.

Благодаря своим высоким потребительским качествам, точности и высокой скорости обнаружения объектов, разнообразным конструктивным исполнениям и относительно невысокой стоимости, оптические датчики нашли широкое применение. Обилие различных аксессуаров и опций, таких как, подогрев оптики, оптоволоконные удлинительные кабели, поляризационные фильтры, аналоговые, цифровые и дискретные выходные сигналы, лазерный излучатель вместо светодиодного существенно расширяют сферу применения данных датчиков как по условиям эксплуатации так и по возможности их интеграции в существующую систему автоматизированного управления.