Фотоэлектрические датчики принцип действия

Оптический датчик: виды, принцип работы и способы проверки

Фотоэлектрические датчики принцип действия

Современная промышленная автоматика обеспечивает сложные и ответственные индустриальные процессы.

Устойчивая работа системы обеспечивается включением высокотехнологичных компонентов, каждый из которых выполняют предупредительную, срабатывающую, блокирующую или иную функцию. Особое место в промышленных системах отдается оптическим датчикам.

Самое известное применение фотоэлектрической аппаратуры – регулятор уровня освещенности. Реакция прибора на сумерки – включение осветительной техники.

Название и терминология

PhotoCell Sensor. Фото- или фотоэлектрический датчик – все это названия группы устройств, срабатывающих на свет или изменение его параметров.

Вторичной функцией аппаратуры является передача соответствующего сигнала (оповещения) в систему индустриальной поддержки. Индикативные возможности датчиков определяется его устройством и областью применения.

Сегодня в практике индустриального оснащения применяется широкий спектр оборудования, оснащенного бесконтактными, рефлекторными, диффузными и другими типами датчиков.

Принцип действия

Основными составляющими электронной аппаратуры, поддерживающей работу по преобразованию световых волн, являются:

  • Источник излучения – специальный диод, который генерирует сигналы;
  • Приемник света – фотодиод, реагирующий на определенные значения излучения. Используется для улавливания отраженных от различных поверхностей волн, сгенерированных ранее источником излучения;
  • Преобразователь электронного типа. Переводит определенные датчиком параметры световой энергии в сигналы, доступные для чтения смежной аппаратурой.

Работа датчиков строится на принципе улавливания отраженных волн от различных предметов обстановки. Длина световых волн и их интенсивность как параметры, позволяют определить измеряемые PhotoCell Sensor величины для последующей передачи в контрольный центр.

Виды

Оптические датчики выполняют достаточно широкий спектр задач, стоящих перед современными промышленными предприятиями.

Кроме контроля уровня освещенности аппаратные средства обеспечивают поддержку бесконтактных изменений, в том числе обнаружения объектов, перемещающихся на высокой скорости.

Представители промышленности при заказе датчиков на производство заранее знают условия эксплуатации и необходимый для оснащения тип аппаратуры.



С раздельным приемником и передатчиком

Этот вид аппаратуры считается одним из самых надёжных. Внушительная дальность работы и устойчивость к помехам. В стандартной комплектации датчики устроены так, что приемник и передатчик заключены в одном корпусе. В раздельном виде устройства активные модули могут быть разнесены на несколько десятков метров.

Передатчик с автономным питанием, по сути, выполняет одну функцию. Сам же датчик с приемником включается в систему промышленной автоматики. Основной сферой применения контрольно-измерительной аппаратуры с раздельными приемником и передатчиком является охранная деятельность.

Известно использование датчиков на производствах с сильно загрязненным воздухом или примесями газов.

Рефлекторный

Основной задачей это группы устройств является обнаружение объектов, находящихся в зоне перекрытия оптического излучения. Активный модуль датчиков состоит из коммутационного элемента релейного типа или полупроводникового диода.

В корпусе аппаратуры заключены излучатель и принимающий блок излучения в инфракрасном спектре. Принцип срабатывания следующий: как только в зону покрытия излучателя попадает контролируемый предмет, рефлектор отражает соответствующий сигнал.

Для обеспечения стабильной работы устройства предусмотрены защитные модули, предупреждающие засвечивание и переполюсовку при организации сетевого питания.

Диффузный

Основным назначением аппаратуры является конечное выключение цепи. Бесконтактные датчики диффузные обнаруживают объекты различных форм вне зависимости от материала исполнения. Отличительная особенность приборов состоит в возможности установления отдельных элементов технологического оборудования.

Конструктивно датчик включает приёмник и излучатель в одном корпусе. Благодаря эффекту диффузного отражения на работу прибора не оказывает влияния засветка, переполюсовка или необходимость точной фокусировки. Датчики определяют местоположение объекта даже в зоне максимального приближения.

Конструкции

Оптические датчики, как правило, имеют компактный форм-фактор. В зависимости от предназначения и применяемой технологии приборы могут иметь выносные модули. Производители рекомендуют использовать совместимое внешнее оборудование. Основными модулями датчиков остаются излучатель и приемник.

Щелевые

Состоит из пары оппозитно расположенных приемника и излучателя на одной платформе. Корпус датчика имеет U-образный вид. В устройстве реализован принцип барьерного срабатывания.

При попадании объекта в область контроля происходит прерывание и фиксация события. Щелевые или вилочные аппараты успешно справляются с пересчетом предметов, перемещающихся на высокой скорости.

Конструкция датчиков позволяет экономить свободное пространство за счет прокладки только одного питающего кабеля.

Прямоугольные

Особое расположение основных модулей исключает чувствительность к фоновым излучениям. Высокое качество оптики, используемой в оснащении, обеспечивает точный и быстрый пересчет объектов.

Устройства могут комплектоваться экранами защиты или системой охлаждения. таким образом функциональность устройств может быть расширена до работы с разогретыми объектами. Кроме того, форм-фактор прямоугольных датчиков обеспечивает их устойчивую работу в дорожной инфраструктуре.

В цилиндрическом корпусе

Внешне устройство напоминает свечу зажигания. В цилиндрическом корпусе размещаются приемник и излучатель. Срабатывание датчика происходит каждый раз при попадании контролируемых объектов с последующим преломлением светового потока. Поставляется с аксессуарами, обеспечивающими легкий монтаж на место эксплуатации – крепежными пластинами, зажимным блоком и уголками.

Подключение и виды выходного сигнала

Присоединение датчиков осуществляется к исполнительной автоматике. Это могут быть программаторы, управляющие платы охранных или противопожарных систем. Собственно, схема подключения напрямую зависит от того, каким будет выходной сигнал. Общая классификация включений устройства в цепь, следующая:

  • На контактную группу сухого типа, нормально разомкнутые или замкнутые;
  • С питанием от блока сигнализации;
  • С подачей энергии по отдельной линии на релейные датчики.



Специфические модели

Разработки в области контрольно-измерительной аппаратуры позволяют обеспечивать потребности различных видов производств. Сегодня датчики могут обнаруживать не только сам объект в зоне видимости, но и узнавать тип нанесенной на них метки.

Световая решетка

Излучатель, включенный в конструкцию датчиков, формирует устойчивое инфракрасное поле двумерного массива. При прохождении через рабочую область происходит идентификация не только самого объекта, но и других его параметров: массы, размера, прозрачности и прочих характеристик.

Световой барьер

Фотоэлектрические датчики положения используются для точного подсчета продукции на индустриальных конвейерах. Приемник и излучатель в конструкции разнесены для создания непрерывного луча. Прерывание барьера сигнализирует о том, что через поле прошла единица продукции.

Лазерный

Для решения задач по измерению малых скоростей объектов и величин предметов целесообразно использовать лазерные устройства. Этот тип датчиков отличает технология устройства излучателя, по которой генерируется световой поток. Предназначается для использования внутри помещений.

Оптоволоконный

В этом типе датчиков реализована технология оптоволоконной связи. По нему происходит передача данных, а также она используется в качестве детектирующего элемента. Конструкция устойчива к дефектам электрической сети.

Аналоговый

Вид аппаратного устройства происходит от интерфейса, используемого для передачи сведения о замеченных в поле излучателя объектах. Выходной сигнал представляет собой ток определенной силы, по которой определяются дискретное позиционирование и другие параметры объекта.

Оптический датчик пламени

Устройство применяется для контроля наличия пламени в промышленных горелках. Датчик питается от искрозащищенного блока, который входит в комплект поставки. Используется преимущественно на предприятиях нефтегазовой промышленности.

Как проверить

Контрольно-измерительная аппаратура перед вводом в эксплуатацию должна быть проверена на работоспособность. Сделать это можно при помощи специальной техники, на стенде. Также часто используется эмпирический метод. Для этого прибор включают на месте и наблюдают за его поведением.

Неисправности и уход

Дефекты для этого типа аппаратуры крайне редки. Нарушение работоспособности может происходить по следующим причинам:

  • Механические повреждения, в том числе обрывы в цепи питания;
  • Выход из строя внутренних компонентов;
  • Сбой настроек (большинству датчиков требуется калибровка);
  • Нарушение полярности.

Своевременное сервисное обслуживание и замена неисправных компонентов обеспечат долгий срок службы изделий и отсутствие простоев на производстве.

Фотоэлектрический датчик принцип работы – Пожарная безопасность

Фотоэлектрические датчики принцип действия

Часто для охраны помещений нужны устройства, которые могли бы преобразовывать неэлектрические величины в электрические. Одним из вариантов могут стать фотоэлектрические датчики. Благодаря им, можно узнать о многих характеристиках отдельного объекта.

Что из себя представляют фотоэлектрические датчики?

Фотоэлектрический датчик — это устройство, которое обнаруживает изменения в лучах окружающего света. Датчик фиксирует изменение, когда объект задерживает или отображает свет. Также аппарат может использоваться для охраны помещений.

Зачем нужен и где используется?

Аппарат нужен для обнаружения точного местоположения предмета без физического контакта с ним. Совершает работу за счет луча света.

Устройство используется в следующих местах:

  • на производстве;
  • в офисах;
  • в строительстве;
  • на складах;
  • в жилых помещениях;
  • для уличного освещения.

Как работает: устройство и принцип действия

Фотодатчик состоит из следующих частей:

  • корпус;
  • реле;
  • фотоэлектрический элемент;
  • оптическая система;
  • катод;
  • металлический анод.

Устройство действует по следующему принципу:

  • светочувствительный элемент реагирует на свет;
  • происходит смыкание контактов;
  • идет сигнал на центральную панель;
  • датчик продолжает наблюдение за территорией.

Отзывы о фотоэлектрических датчиках: плюсы и минусы

Основными достоинствами аппаратов этого типа являются:

  • невысокая стоимость;
  • легкость в обнаружении светлых предметов;
  • большой диапазон обзора;
  • работа в любых условиях;
  • выявление даже небольшого изменения в положении объекта.

К минусам можно отнести:

  • проблемы с определением черных предметов;
  • небольшая сложность в настройке;
  • у некоторых моделей отсутствует подавление переднего фона.

Детектор Omron E3Z-T86AL OMS

Корпус датчика изготовлен из пластика. Тип излучаемого света — поляризованный красный свет. Количество сигнальных каналов равняется 1. Размеры — 10*31*20 мм.

Аппарат обследует все в радиусе 10 метров.

Дистанция переключения — 10 м. Максимальная работа тока равняется 100 мА. Угол обзора — 15 градусов. Длина испускаемой волны датчика — 700 nm. Напряжение может достигать 24 В.

Рабочая температура — от -25 до 55 градусов. Устройство не имеет защиты от пыли и газа. Присутствует функция переключения в зависимости от освещения окружающей среды. Настройка может производиться вручную. Цена: 2 440 рублей.

Фотоиндикатор E3FA-DP12 2M OMI

Корпус и материал оптической поверхности выполнен из пластика. Тип света — поляризованный красный свет. Аппарат подключается с помощью кабеля. Присутствует функция ручной настройки параметров.

Рабочее расстояние — 5-300 мм.

Размеры аппарата — 18*41*18 мм. Дистанция переключения — 300 мм. Температура, при которой работает устройство — от -25 до 55 градусов.

Присутствует функция переключения при затемнении или освещении территории. Конструкция корпуса — цилиндр с резьбой. Не имеет защиты от газа и пыли. Длина волны — 624 nm. Частота тока — 2000 Гц. Количество каналов — 1.

Аппарат срабатывает достаточно быстро — за 0,5 сек. Цена: 3162 рубля.

Датчик Jalo Kupu 80011

Устройство является фотоэлектрическим датчиком дыма и определяет места возгорания. Рабочее напряжение — 9 В. Переключение проводится на расстоянии 3 м. Размеры — 136*136*43 мм. Вес аппарата — 165 гр.

Устройство работает при колебании температур — от 0 до 45 градусов. Батарея рассчитана на 5 лет. Датчик содержит особую чувствительную камеру, с помощью которой определяет частички дыма в воздухе.

В аппарате присутствует функция самоконтроля и диагностики.

Если случится возгорание, датчик будет подавать беспрерывный звуковой сигнал, что поможет быстро найти очаг пожара.

У этих моделей снижен риск ложных срабатываний. Датчик прост в установке и использовании. Цена: 2460 рублей.

Устройство обнаружения BEN10M-TDT DC12-24V

Этот датчик рекомендуется устанавливать в отдельных комнатах жилых помещений. Размеры — 18*50*50 мм. Работает при температурах — от -20 до 65 градусов. Вес достигает 324 гр.

Аппарат подключается с помощью кабеля, который имеет длину 2 м. диаметром 5 мм. Срабатывает на расстоянии 10 м. Индикатор имеет 2 цвета — красный и зеленый.

Источником света является инфракрасный светодиод с длиной волны 850 nm.

Сигнал срабатывает, если объект пересечет луч.

Два режима срабатывания — на свет и на затемнение. Потребляемый ток — 40 мА. В датчик встроена защита от обратной полярности и от замыкания. Датчик прост в устройстве и обслуживании. Цена: 2809 рублей.

Индикатор BPS3M-TDTL-P

Устройство является низкопрофильным датчиком с увеличенным радиусом срабатывания. Размеры — 17*7,5*28 мм. Корпус выполнен из пластика. Устройство работает на расстоянии 3 м. Потребляемый ток — 20 мА. Максимальная нагрузка тока может достигать 100 мА. Длина волны — 500 nm. Источником света является инфракрасный светодиод.

Аппарат наделен защитой от переполюсовки и замыкания.

Присоединяется с помощью кабеля, длина которого составляет 2 м. Вес — 66 гр. Подает сигнал на затемнение или освещение. Влагозащищенный корпус. Устройство удобно в установке из-за миниатюрного и плоского корпуса. Цена: 3094 рубля.

PHOTOSWITCH MiniSight

Датчик предназначен для работы в промышленной сфере. С его помощью проводится зондирование некоторых материалов. Потребляемый ток — 30 мА.

Прибор защищен от перегрузки, замыкания, ложного импульса и неправильной полярности. Светодиоды представлены зеленым, оранжевым и янтарным цветом. Нагрузка тока — 100 мА.

Температура, при которой совершается работа датчика — от -20 до 70 градусов. Линзы камеры наблюдения сделаны из акрила.

Присутствует функция работы в зависимости от освещения территории.

Особенностью этого устройства считается самостоятельная настройка чувствительности. Товар встречается довольно редко, поэтому цена зависит от наличия данного продукта.

Какого производителя и какой тип лучше выбрать: ТОП-3

Из вышеперечисленных устройств можно выделить следующие модели.

  1. BEN10M-TDT DC12-24V — датчик работает при разных температурах. Особенностью датчика можно назвать большой диапазон действия — 10 м. Также одним из его достоинств является низкое потребление тока. Это снижает затраты на электроэнергию. Цена: 2809 рублей.
  2. BPS3M-TDTL-P — датчик, который добился популярности за счет увеличенного радиуса срабатывания. В отличие от других моделей его корпус более защищен от доступа влаги и пыли. Присутствует повышенная защита от замыкания и переполюсовки. Цена: 3094 рубля.
  3. E3FA-DP12 2M OMI — аппарат представлен своеобразной формой — цилиндр, покрытый резьбой. Устройство стало популярно за счет функции ручной настройки некоторых параметров. Также достоинством датчика является быстрая подача сигнала. Цена: 3162 рубля.

Что учитывать при выборе устройства?

При выборе датчика стоит обратить внимание на следующие факторы:

  • место, где будет монтироваться аппарат;
  • наличие защиты от ложных срабатываний;
  • мощность сигнала;
  • мощность испускаемого луча;
  • величина нагрузки тока;
  • надежность.

3 лучших модели

Согласно отзывам, лучшими моделями являются:

  • E3Z-D61-2M — датчик завоевал популярность за счет низкого расхода тока и наличия системы защиты от факторов окружающей среды. Цена: 5540 рублей.
  • BEN5M-MFR — устройство стало популярно благодаря простоте установки и большому сроку годности. Цена: 2064 рубля.
  • E3JM — аппарат славится тем, что его корпус сделан из специальной стали, которая не подвластна коррозии и погодным условиям. Цена: 6100 рублей.

Стоимость

Цена зависит от мощности тока, излучаемого луча света, наличия ложных срабатываний.

Наиболее дешевые варианты представлены следующими моделями:

  • BEN5M-MFR — 2064 рубля.
  • E3Z-T86AL OMS — 2440 рублей.
  • Jalo Kupu 80011 — 2460 рублей.
  • BEN10M-TDT DC12-24V — 2809 рублей.

И более дорогие варианты:

  • BPS3M-TDTL-P — 3094 рубля.
  • E3FA-DP12 2M OMI — 3162 рубля.
  • E3Z-D61-2M — 5540 рублей.
  • E3JM — 6100 рублей.

В москве

  1. «Косби», ул. Шипиловская, д. 28а, +74957763393.
  2. Компания «Эско Восток КОМ», Пыжевский пер., д. 5, +74959742460.
  3. «РумЭлектро», ул. Братиславская, д. 18, +74952120900.

В Санкт-Петербурге

  1. Компания «ПневмоЭлектроСервис», Торфяная дорога, д. 9, +78123263100.
  2. «LabSI», Индустриальный проспект, д.44, офис 557, +78129377855.
  3. «ACS», пр. Приморский, д. 137, +78124323838.

Фотоэлектрический датчик необходим, если нужно узнать информацию об объекте, не соприкасаясь с ним. Именно из-за этого качества аппарат стал популярен.

Так же устройство имеет относительно небольшую стоимость, что делает его доступным всем желающим.

Источник: https://vidsyst.com/datchik/fotoelektricheskie.html

Принцип работы фотодатчика (фотореле) для уличного освещения

Дополнение к осветительному прибору в виде фотореле позволяет снизить расход электроэнергии. Это небольшое и простое по конструкции устройство полностью берет на себя управление включением/выключением лампочек в зависимости от уровня освещенности на улице.

При наступлении сумерек фотодатчик для уличного освещения включает подсветку возле дома, а на рассвете выключает ее. Но выбирая его, надо многое предусмотреть.

Принцип работы фотодатчика

Основа управляющего уличным освещением фотореле (сумеречного выключателя) – это светочувствительный элемент, реагирующий на имеющуюся яркость солнечного и искусственного света.

Фотоэлектрические датчики принцип действия

Фотоэлектрические датчики принцип действия

Оптический фотодатчик – вид на оптику

Привет, друзья! 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. На эту тему у меня есть несколько статей, вот основные – разновидности датчиков и схемы включения датчиков. Другие ссылки буду давать по ходу.

Будет много фотографий, которые делал я сам. И фактов, которые знаю только я.

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. 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.

А 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.

Оптический датчик с лампочкой накаливания и линзой. Внизу видно световое пятно

Этот датчик стоит в производственной линии 1980 года, 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:

Загрязненный оптический датчик, сбоку – регулятор настройки чувствительности, излучающая часть смотрит вниз

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).

А что там свежего в группе вк самэлектрик.ру?

Поскольку в датчике присутствует пороговый элемент, нужно, чтобы он срабатывал чётко. 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 рефлектором (рефлекторный)

Эти датчики совмещают источник (передатчик) и приемник излучения в одном корпусе.

Рефлекторный оптический датчик со световозвращателем

Свет отражается от рефлектора, и попадает обратно. Поэтому некоторые производители называют такие датчики ретрорефлекторными (обратное отражение).

Оптический датчик с отражением от рефлектора

Кстати, на фото видны переключатель Dark / Light On, регулятор чувствительности, и индикаторы стабильности и срабатывания.

А вот хорошее фото, видна оптика передатчика и приемника:

Датчик рефлекторный со стороны оптики, закреплен на кронштейне

Такой датчик – это обязательно система. Для примера – конвейер, и система датчик – отражатель контролирует прохождение заготовки:

Датчик рефлекторный по одну сторону конвейера

Рефлектор может также называться отражателем, световозвращателем или катафотом:

Рефлектор для оптического датчика с другой стороны конвейера

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 всё.

Датчик загрязнен пылью, предельная дальность в этом случае падает примерно на 30%

Датчики рефлекторного типа на производстве используются чаще всего.

Фотоэлектрические датчики: назначение и устройство. Принцип работы фотоэлектрических датчиков

Фотоэлектрические датчики принцип действия

В сферах промышленности активно используются такие специализированные устройства как фотоэлектрические датчики, которые позволяют совершать наиболее точное обнаружение поступающего объекта без необходимости физического контакта.

Они применяются при установке различного оборудования, а также бывают разных типов и отличаются принципом действия.

Можно выбрать подходящее устройство по его свойствам, а также, учитывая ситуацию, в которой будет применяться подобный датчик.

Использование различных фотоэффектов

Во время своей работы фотоэлектрические датчики используют три возможных фотоэффекта, которые зависят от того, как изменяются свойства предмета при наличии изменений в уровне освещения.

  1. Эффекты бывают внешними, когда под воздействием получаемой световой энергии электроны вылетают из катода лампы.
  2. Внутренние эффекты отличаются тем, что сопротивление полупроводника зависит от уровня освещенности.
  3. Вентильный эффект появляется, когда возникает движущая сила, которая зависит от освещения.

Виды устройств

Можно встретить фотоэлектрические датчики аналогового или дискретного вида.

  1. У аналоговых выходной сигнал может меняться пропорционально имеющемуся уровню освещения. Обычно такие устройства применяют при создании элементов освещения, управляемых автоматически.
  2. Дискретные устройства изменяют значение на диаметрально противоположный показатель при достижении определенного уровня освещенности. Они могут выполнять всевозможные задачи на действующей технологической линии и широко используются в промышленности.

Оптический бесконтактный прибор регулирует изменение поступающего светового потока в рабочей области и может срабатывать на большом расстоянии, реагируя на изменение объектов, их отсутствие или присутствие. Конструкция этого прибора имеет две части, которые отвечают за правильное функционирование – это приемник и излучатель. Они могут находиться как в одном подходящем корпусе, так и в разных.

Группы устройств

В зависимости от используемого метода работы, фотоэлектрические датчики принято делить на четыре группы:

  1. Работающие по принципу пересечения луча. В этом случае излучатель и работающий с ним в паре приемник имеют два отдельных корпуса, поскольку этого требует технология работы. Два прибора устанавливаются друг напротив друга, а при взаимодействии излучатель посылает луч, который воспринимается приемником. Если какой-либо объект пересекает этот луч, то прибор тут же посылает соответствующий сигнал.
  2. Датчики с принципом отражения от рефлектора. Подобные приборы характеризуются тем, что у них излучатель и приемник располагаются в одном корпусе. Помимо этого агрегата, также используется специальный рефлектор, который устанавливается напротив прибора. Во время работы устройство посылает луч, он отражается от рефлектора и воспринимается приемником. Специальный поляризационный фильтр позволяет настроить работу оборудования так, чтобы устройство воспринимало только отражение от рефлектора и ничего лишнего. Рефлекторы бывают разными, поэтому их выбирают, исходя из имеющейся ситуации – дальности расстояния и особенностей монтажа. Если во время работы луч перестает отражаться и поступать к приемнику, значит, на линии появился какой-то объект, и сигнал об этом устройство передает дальше.
  3. Приборы с отражением света от объекта. У этих агрегатов приемник и сопутствующий ему излучатель также располагается в одном корпусе. В этом случае работа строится так, что рефлектор не нужен, поскольку его роль выполняют различные объекты – луч отражается от них, попадает в приемник, и датчик посылает нужный сигнал.
  4. Датчики с фиксированным отражением. По сути, это усовершенствованный вариант предыдущего варианта оборудования. Приборы работают по такому же принципу, но они более чутко улавливают и определяют состояние объекта. Например, при помощи подобных датчиков можно обнаружить вздувшуюся упаковку на линии или пакет, наполненный не до конца.

Также датчики могут делиться не только по принципу работы, но и по своему назначению. Существуют приборы общего назначения и специализированные. Вторые предназначены для выполнения более узких задач и решения конкретных вопросов.

Например, они могут распознавать наличие этикетки, контрастной границы и других подобных элементов.

Все датчики выполняют задачу обнаружения каких-либо объектов на расстоянии, и в зависимости от особенностей элемента, это расстояние может значительно варьироваться.

Характеристики датчиков

Обычно производители сопровождают свои устройства специальными техническими паспортами, в которых с точностью прописываются все необходимые характеристики, помогающие правильно выбрать датчик.

Это весьма удобно, поскольку покупателю не нужно производить какие-то точные расчеты, чтобы подобрать подходящий прибор, а достаточно только соотнести его параметры с особенностями места установки и конкретной ситуацией, в которой будет применяться устройство.

  1. Практическая способность обнаружения является главной характеристикой для таких элементов, поскольку это означает, в каких условиях датчик сможет выполнять свою работу, также на этот показатель влияет заполнение угла зрения, оно может быть полным или неполным.
  2. Дальность действия – еще один важный параметр, он означает, на каком расстоянии прибор сможет действовать. Поскольку у всех датчиков оно может быть разным, встречаются варианты, которые работают на расстоянии нескольких сантиметров или устройства, рассчитанные на дальность в метрах.
  3. Ширина луча визирования также играет важную роль, поскольку от нее напрямую зависит разрешение датчика и то, с какими объектами он может работать.
  4. Время реакции также имеет значение при работе, здесь учитывается, с какой скоростью датчик будет обрабатывать объекты, а также его время включения и выключения. Необходимо, чтобы устройство успевало охватить все поступающие предметы, успевая за их движением по линии.
  5. Напряжение питания учитывается при выборе, поскольку внедрение датчиков в систему не должно оказывать серьезного влияния на ее работоспособность, если устройства слишком мощные, то следует заменить их вариантами, которые потребляют меньше энергии, чтобы они могли эффективно работать и выполнять свои функции, не нарушая общую деятельность линии производства.
  6. Также при выборе стоит учесть углы наведения датчика, особенности его присоединения и монтажа, габариты и вес, уровень защищенности – все это тоже имеет значение при работе устройства.

Выбирая фотодатчик, лучше обратить внимание на известных производителей, которые уже заслужили определенную репутацию на рынке.

Нужно, чтобы устройство было максимально безопасным и обладало простым в управлении интерфейсом – это позволит сделать работу с ним комфортной и удобной.

Также корпус датчика должен быть хорошо защищен от попадания пыли и влаги – это продлит срок его службы. Присоединительное место у него должно быть стандартным, чтобы не возникло проблем с монтажом.  

Фотоэлементы. Виды и устройство. Работа и применение

Фотоэлектрические датчики принцип действия

Сегодня в промышленности работают десятки тысяч автоматов, оснащенных электронным зрением. Электронным глазом у них служат фотоэлементы. В основе работы этих приборов лежит фотоэффект. История открытия этого явления началась 100 лет назад.

Эффекты фотоэлементов можно разделить на несколько видов, которые зависят от свойств и производимых функций:

  • Внешний фотоэффект. Его другое название – фотоэлектронная эмиссия. Электроны, вылетающие за границы вещества при возникновении внешнего фотоэффекта, называются фотоэлектронами.

    Образующийся фотоэлектронами при этом электрический ток, при упорядоченном движении по внешнему электрическому полю, называется фототоком.

  • Внутренний фотоэффект. Он влияет на фотопроводимость материала.

    Этот эффект появляется при перераспределении электронов по диэлектрикам и полупроводникам, в зависимости от их агрегатного (жидкого или твердого) и энергетического состояния. Перераспределяющее явление возникает под действием светового потока.

    Только при таком действии повышается электропроводимость вещества, то есть, возникает эффект фотопроводности.

  • Вентильный фотоэффект. Таким эффектом называется переход фотоэлектронов из собственных тел в другие тела (твердые полупроводники) или электролиты (жидкие).

На основе внешнего фотоэффекта работают вакуумные элементы. Они производятся в виде колб из стекла. Часть их внутренней поверхности покрывается тончайшим слоем напыления металла. Такая малая толщина позволяет получить незначительный рабочий ток.  Окошко в колбе имеет прозрачность, и пропускает свет вовнутрь.

Расположенный внутри колбы анод из диска, либо проволочной петли, улавливает фотоэлектроны. При соединении анода с положительным выводом питания, цепь замкнется, и по ней будет протекать электрический ток. То есть, вакуумные элементы могут коммутировать реле.

Путем комбинации реле и фотоэлементов можно образовать разные автоматы с электронным зрением, например, на входе в метро. Внешний фотоэффект заложен во многих технологических процессах в промышленности, и является важным физическим открытием, залогом успешного развития автоматики на производстве.

Устройство и принцип действия

Хорошо очищенная цинковая пластина, медная сетка, чувствительный гальванометр включены в электрическую цепь батареи.

При освещении пластины ультрафиолетовыми лучами в цепи возникает электрический ток. Значит, свет выбивает электроны из металла. Это явление и называют фотоэффектом.

Поставим на пути лучей стекло, задерживающее ультрафиолетовые лучи. Ток в цепи прекращается.

Вакуумный баллон. Часть его внутренней поверхности покрыта тонким слоем щелочного металла. Это катод. Анодом служит металлическое кольцо.

Подадим напряжение. Тока в цепи нет. Теперь осветим элемент, появляется ток. После снятия напряжения ток уменьшается, но не до нуля. По мере увеличения напряжения, фототок возрастает и достигает насыщения.

При отсутствии напряжения ток в цепи есть. Для прекращения фототока необходимо подать на анод отрицательный задерживающий потенциал

Электрическое поле тормозит фотоэлектроны и возвращает их на катод. По мере приближения источника света величина светового потока увеличивается. Возрастает и фототок насыщения. Величина фототока насыщения прямо пропорциональна световому потоку. Это первый закон фотоэффекта.

Выясним, какую роль в фотоэффекте играет длина волны света. Установим синий светофильтр. При этом ток есть. С зеленым светофильтром ток уменьшается. С желтым светофильтром тока нет. Для каждого вещества есть определенная пороговая частота, ниже которой фотоэффекта нет. Это длинноволновая граница фотоэффекта.

Если увеличивать световой поток на более низких частотах, фотоэффекта не произойдет. Как объяснить это явление? Ученые изучили распределение энергии в спектре излучения нагретых тел.

Ученые также пришли к выводу, что свет излучается, распространяется и поглощается порциями – квантами энергии, фотонами. Валентные электроны в металле свободны. При поглощении фотона энергия идет на работу выхода электрона и его кинетическую энергию. Уравнение Эйнштейна раскрывает смысл 2-го закона фотоэффекта.

Кинетическая энергия фотоэлектрона определяется частотой света. При взаимодействии света с металлом мы наблюдали внешний фотоэффект. Схема опыта ученых послужила прототипом приборов на внешнем фотоэффекте.

Светочувствительный слой вещества и кольцевой анод находятся в вакуумной или газонаполненной колбе. По этому принципу устроены фотоэлементы, выпускаемые промышленностью.

Существует большая группа элементов, свойства которых меняются под воздействием света. Это полупроводники. На их основе созданы фоточувствительные приборы с так называемым внутренним фотоэффектом.

Фоторезистор

Возьмем проволочный резистор из полупроводника. Включим его в электрическую цепь. Под действием света происходят очень сильные изменения электрического сопротивления, и ток возрастает. Изменение проводимости не зависит от направления тока в фоторезисторе. Как возникает внутренний фотоэффект?

Рассмотрим элемент германий. Он четырехвалентный. На схеме изображена устойчивая структура полупроводника. Атомы прочно связаны ковалентной связью.

Если энергия кванта света достаточна, чтобы разорвать связь электрона с атомом, он становится свободным, и блуждает по кристаллу. На его месте возникает так называемая дырка.

Это положительный заряд, равный заряду электрона. Дырка может быть снова занята электроном.

Приложим разность потенциалов. Возникнет направленное движение электронов и дырок – электрический ток. Так устроен фоторезистор.

При воздействии света появляются носители, резко увеличивается проводимость, и возрастает ток в цепи.

Проводимость очень чистых полупроводников мала. Ее можно увеличить, если добавить примесь другого элемента. Добавим, например, атомы мышьяка. Они имеют большую валентность. При этом часть электронов оказывается свободной.

Благодаря ним и увеличивается проводимость. Эта примесь дает материал n-типа. У индия валентность меньше. Он захватывает электроны кремния, увеличивая число дырок. Проводимость становится дырочной.

Эта примесь дает материал р-типа.

Соединим два полупроводника n-типа и р-типа. На границе произойдет перераспределение зарядов. Дырки входят в р-область, а электроны в n-область до тех пор, пока на границе не возникнет электрическое поле, которое препятствует дальнейшему перераспределению. Так возникает двойной слой заряда, который называют р-n переходом.

Благодаря фотоэффекту при воздействии света появляются электроны и дырки. Возникает разность потенциалов.

Если цепь замкнуть, появится электрический ток. Этот эффект можно использовать для прямого преобразования световой энергии в электрическую. По этому принципу работают преобразователи световой энергии в электрическую, в экспонометрах, люксметрах, солнечных батареях.

Фотодиод

Простой фотодиод – это обычный полупроводниковый диод с переходом р-n, на который может воздействовать световой поток. В итоге материал меняет свои свойства, и дает возможность исполнять разные функции в цепи электрического тока. При отсутствии света диод имеет обычные свойства.

Комбинируя структуры, можно получить фототранзистор. Световой луч управляет его работой.

Вот некоторые области использования фотоэлементов в нашей жизни:

  • По этой схеме фотоэлементы могут управлять работой двигателей, станков, целых систем. Они прочно вошли в нашу жизнь.
  • Фотореле пропускает нас в метро. Электронный глаз следит за движением нити в текстильном производстве. Миниатюрные фотоэлементы зарегистрируют ее обрыв и остановят станок.
  • Их используют для измерения площади заготовок сложной формы.

    В считанные секунды определяется площадь лекала. Фотореле строго следит за раскроем кожи, ткани, и обеспечивает безопасность работы на прессе.

  • На станке для плазменной резки металла фотоэлементы также управляют его работой. Они считывают информацию с перфоленты, и задают режимы работы станка.
  • В типографии они считают бумажные листы, следят за их правильной укладкой и резкой.

    Ведут постоянный контроль за циклом работы станка, обеспечивая безопасность работы резчика бумаги.

  • На почтамте фотоэлементы позволили автоматизировать трудоемкие операции по обработке писем и сортировки их по адресам. Электронный глаз внимательно следит за тем, чтобы штемпель точно попал на марку.

    Фотоэлектронная система считывает индекс, обозначенный на конверте, и направляет письмо в нужную ячейку.

  • В ювелирном производстве фотоэлементы стали контролерами качества обработки драгоценных камней. Фотоэлектронный глаз представляет собой матрицу, состоящую из нескольких тысяч отдельных фотоэлементов.
  • Звук в кино записывается на звуковую дорожку.

    Фотоэлемент его расшифровывает, и управляет работой звуковых динамиков. Изображение на фотопленке и в глазу человека возникает благодаря фотоэффекту.

  • Роботы-автоматы выполняют технологические операции, за которыми не может следить человек. В промышленности робот движется, ориентируясь по белой линии на полу, благодаря системе, оснащенной фотоэлементами.

  • Прогресс науки и техники в самых разных областях народного хозяйства во многом стал возможен благодаря широкому использованию фотоэлементов.
Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.