Сегодня настало время рассказать про широкий круг электронных датчиков, которые используются в промышленной автоматике. Это – оптические датчики.
Постараюсь популяризировать эти электронные устройства по порядку. Теория, классификация, практика, реальные модели датчиков и производители.
Будет много фотографий, которые делал я сам. И несколько фактов, которые знаю только я.
Предупреждаю сразу - если я о чём-то не написал, или кажется, что я в чём-то не прав - смело пишите комментарий! Обсудим, дополню, исправлю!
Для начала, чтобы понимать, о чём речь, и в какой области знаний мы сейчас очутились –
Название и терминология применительно к оптическим датчикам
Как видно сразу из названия, в этих датчиках используется оптика, а значит – световое излучение различных диапазонов. То есть датчик, реагирующий на свет. И, разумеется, выдающий на факт обнаружения света какой-то сигнал. В английской терминологии оптические датчики часто называют PhotoCell Sensor, или Light Sensor, что означает фотодатчик, или световой датчик.
У нас тоже, кроме распространенного “оптического“, те же устройства называют фотодатчиками, или фотоэлектрическими датчиками.
Простейший и самый распространенный вариант такого датчика – датчик освещенности, который дискретно реагирует на уровень освещенности, и выдает сигнал на включение освещения с наступлением сумерек (основное применение)
Фотодатчиков придумано великое множество, и я попробую в своей статье популяризовать и классифицировать это многообразие.
Работа оптических датчиков
Активация. Вот ключевое слово, которое должно использоваться при описании работы любых датчиков. В нашем случае активация (или деактивация, но об этом позже) происходит, когда свет, попадающий на вход датчика, обладает достаточной интенсивностью.
Логика работы такова, что когда свет попадает в датчик беспрепятственно, он будет активирован. А когда этот свет прерывается барьером (человек, заготовка, деталь станка) – датчик деактивируется.
Внимание! Не путайте! Активен – совсем не значит, что у него контакты замкнуты, и есть напряжение на выходе! Работа схемы обнаружения света и выходного ключевого элемента могут различаться! Возможно, что свет прерывается, и это как раз и служит сигналом активности. А возможно, и наоборот! Всё зависит от конкретного применения.
Оптические датчики (так же, как и индуктивные датчики приближения) являются бесконтактными, то есть механического контакта с наблюдаемым объектом (активатором) не происходит. В отличии от (например) концевых выключателей и датчиков давления.
В большинстве случаев для повышения помехоустойчивости используют свет не обычного спектра, а излучение лазерного источника света (как правило, красного цвета). Такой источник прост в изготовлении, излучение легко фокусируется в тонкий луч. А благодаря тому, что излучение в видимой части диапазона, положение датчика просто настроить в пространстве.
Вот один из раритетных датчиков с обычной лампочкой накаливания, который я застал при жизни. Излучатель – лампочка накаливания на 6 В с линзой. Приемный элемент – фотодиод. Далее – усилитель и триггер Шмитта на транзисторах на отдельной плате в шкафу.
Этот датчик стоит в производственной линии "BOBST" 1980 года по производству детского питания, купленной за нефтедоллары в Швейцарии.
Современные датчики реагируют только на “свой” участок спектра, что позволяет им чётко работать в условиях помех и плохой видимости.
Помехой может быть солнечный свет или искусственное освещение, пыль, дым.
В случае плохого ухода помехой может быть обыкновенная пыль и грязь:
На оптических датчиках в большинстве случаев существует переключатель “Dark On / Light On”. Что он означает? Он инвертирует логику работы. При “Dark On” датчик активируется тогда, когда на его вход свет не попадает, то есть на входе – темнота. При попадании света датчик деактивируется, то есть его выход приходит в нормальное состояние. В режиме “Light On” датчик активируется тогда, когда его вход засвечивается.
Есть модели, где присутствует таймер – выходной сигнал появляется через время после активации (срабатывания). Это бывает полезно для устранения дребезга.
Поскольку в датчике присутствует пороговый элемент, нужно, чтобы он срабатывал чётко. При этом используется свойство гистерезиса, снижающее дребезг (частые изменения сигнала в “зыбкой” зоне). Чтобы облегчить настройку, сейчас производители в корпусе датчика устанавливают не только индикатор активации но и индикатор стабильного уровня сигнала. Если он горит, то это указывает, что обнаружение происходит стабильно, с достаточным уровнем сигнала, а не на краю диапазона чувствительности.
Различия по способу передачи света
Это – основные различия, по которым классифицируются дискретные оптические датчики. Различие – в способе “доставке” света на входной оптический элемент датчика.
Самый надежный –
С раздельным приемником и передатчиком
Такие датчики менеджеры по продажам называют барьерными, или с пересечением луча. Хотя, я это считаю некорректным – все дискретные датчики работают с пересечением луча каким-то барьером.
Это самый надежный тип датчика в смысле дальности и помехоустойчивости. Во всех остальных датчиках передатчик и приемник излучения находятся в одном корпусе, а в этом могут быть разнесены на десятки метров.
То есть, передатчик установлен в одном месте, и к нему подведено питание. Он излучает, не выполняя больше никаких функций и не имея настроек. А приемник установлен на отдалении, и там может регулироваться чувствительность и другие параметры и функции.
Излучатель и приемник должны быть из одной пары (комплекта), хотя могут приобретаться отдельно. Передатчики и приемники разных фирм не подходят друг к другу (но это не точно).
Такие датчики на производстве применяются там где нужно контролировать большое расстояние. Также – в цепях безопасности, в охранных системах и там, где воздух может быть загрязнен (пыль, газ).
Вот пример установки такого вида датчика в цепи безопасности. Статья на Дзене.
Отдельный вид таких датчиков – щелевые (вилкообразные). Они удобны тем, что хоть передатчик и приемник разнесены, но расположены фактически в одном корпусе.
Когда в щель между излучателем и приемником попадает активатор (предмет), датчик срабатывает. Фактически эта конструкция повторяет устройство оптического энкодера (ссылка в конце статьи).
С рефлектором (рефлекторный датчик)
Эти датчики совмещают источник (передатчик) и приемник излучения в одном корпусе.
Свет отражается от рефлектора, и попадает обратно. Поэтому некоторые производители называют такие датчики ретрорефлекторными (обратное отражение).
Кстати, на фото видны переключатель Dark / Light On, регулятор чувствительности, и индикаторы стабильности и срабатывания.
А вот хорошее фото, видна оптика передатчика и приемника, разделенные перегородкой:
Такой датчик – это обязательно система. Для примера – конвейер, и система датчик – отражатель контролирует прохождение заготовки:
Рефлектор может также называться отражателем, световозвращателем или катафотом:
Максимальное рабочее расстояние, на котором обеспечивается стабильная работа – у разных моделей от 5 до 10 м. Теоретически можно и больше, но практически очень трудно обеспечить стабильную работу – малейшее смещение луча из-за вибрации или ослабление света из-за пыли, и будет ложное срабатывание.
Датчики рефлекторного типа у нас на производстве используются чаще всего.
Про наше производство и про то, как устроена наша электрослужба изнутри - статья на Дзене.
Диффузный
Этот тип датчика – с отражением от объекта.
У него самая малая дальность действия (до полуметра), зато есть важное свойство – при должной настройке он детектирует появление объектов в зоне действия. Ведь на каждую коробку или бутылку катафот не поставишь!
Объект может быть на оси действия датчика, на расстоянии. По мере приближения датчик, как пороговый элемент, срабатывает.
В простейшем случае регулировка одна – чувствительность. В крутых диффузных датчиках несколько кнопок или регуляторов, и его можно программировать и обучать:
С этим датчиком была "весёлая" история - он мог сам при работе перейти в режим обучения, и изменить настройки. Оказалось, что при прокладке сигнального кабеля к датчику монтажники его повредили, и провод "TEACH" коротил на массу...
Различия по конструкции
Тут просто. Если не рассматривать датчики специального исполнения (например, щелевые), то оптические датчики могут быть двух типов – в прямоугольном и в цилиндрическом корпусе.
Фото прямоугольных я привёл достаточно, а вот цилиндрические:
Подключение и виды выходного сигнала
Здесь главная путаница. Иногда трудно понять, что такое Нормально Открытый (НО), а что такое Нормально Закрытый (НЗ) выход датчика. Те кто читал мои статьи, тот прекрасно знает, что ключевое слово тут - активация. Но применительно к оптическим датчикам нелишне повториться и уточнить.
Надо увязать три события:
- попадание света нужной интенсивности,
- включение индикатора активности
- переключение выходного элемента (транзистор или реле)
Путаница возникает, когда под активностью (активацией, срабатыванием) понимают попадание света, либо попадание объекта. И что при этом происходит – зависит от переключателя Dark / Light и типа выхода – НО или НЗ.
В НЗ датчиках индикатор может гореть, когда контакт замкнут, а может – когда датчик активен (Это разные события!). Зависит от производителя.
Как правило, схема подключения приведена на корпусе:
В общем, нужно внимательно читать инструкцию, и всё проверять на практике. Как показывает опыт, без изучения матчасти в таких сложных сферах знаний - никуда!
Подписывайтесь на канал, скоро выйдет вторая часть статьи - про нестандартные и необычные датчики - реальные фото и примеры применения.
В заключение - полезные ссылки:
Если интересны темы канала, заходите также на мой сайт - https://samelectric.ru/ и в группу ВК - https://vk.com/samelectric
Не забываем подписываться и ставить лайки, впереди много интересного!
Обращение к хейтерам: за оскорбление Автора и Читателей канала - отправляю в баню.