Принцип работы и проверка оптических датчиков

Введение

Условия окружающей и контролируемой сред, в которых один или несколько внешних воздействующих факторов — радиация, температура, электромагнитное поле, агрессивность, влажность, давление, деформация — имеют предельно возможные постоянные значения, принято считать экстремальными.

В таких условиях работают первичные преобразователи систем управления опасными технологическими процессами (нефтедобыча, транспортировка и переработка нефти и газа, выработка атомной энергии, хранение радиоактивных отходов), систем мониторинга и диагностики сложных строительно-инженерных сооружений (плотин, мостов, шахт и т. п.) и систем управления военными и чрезвычайными ситуациями.

Стандартные электронные датчики (ЭД) применяются в экстремальных условиях, однако они восприимчивы к электромагнитным излучениям (шумы и помехи в измерительном сигнале), не применимы в условиях высоких напряжений без специальной защиты, и большинство материалов электроники накладывают ограничение на температурный диапазон работы до +200 °С и радиационный диапазон до нескольких кГр (1 Гр = 100 рад ). ЭД имеют существенные недостатки:

• требуют электропитания и зазем­ления в зоне измерений и, соответственно, взрыво- и пожаробезопасного исполнения;
• требуют совмещенной конструкции чувствительного элемента и электронного преобразователя в жестких радиационных и климатических условиях зоны измерений;
• принцип совмещенного построения не позволяет разнести чувствительный элемент и электронный блок на расстояние более нескольких метров;
• неспособность к самотермокомпенсации и самокалибровке, поскольку ЭД принципиально являются одноканальными преобразователями физической величины в электрический сигнал.

Н

Рис. 1. Сравнение свойств кварцевого стекла и нержавеющей стали

аиболее полным и перспективным техническим решением для экстремальных условий эксплуатации является использование оптических принципов измерений, на которых основаны волоконно-оптические датчики (ВОД). Использование кварцевого стекла в качестве материала для ВОД и измерительных линий связи является эффективным решением как по механическим свойствам, так и по свойствам радиационной стойкости оптических кварцевых волокон (рис. 1).

ВОД имеют следующие, обусловленные их физической природой, преимущества:

• абсолютная взрывопожаробезопасность;
• радиационная стойкость;
• устойчивость практически ко всем горючим и агрессивным средам;
• помехозащищенность от электромагнитных воздействий;
• полная оптическая гальваническая развязка с электронной аппаратурой;
• расширенный диапазон рабочих температур;
• высокая механическая прочность и надежность;
• распределенные, многодатчиковые измерения;
• высокое быстродействие;
• длительный срок службы;
• малые габариты и гибкость;
• мультиплексирование большого массива датчиков одного оптоволокна.

Сферы применения

Развитие технологии производства волоконно-оптических детекторов позволило не только снизить стоимость этих устройств, но и решить ряд проблем, связанных с невозможностью использования обычных средств тензометрии для определения изменения физических величин в нетипичных условиях. Современные конструкции оптоволоконных детекторов применяются:

• в системах безопасности и оповещения;
• для контроля работы плавильных печей;
• для обнаружения утечек на гидротехнических сооружениях;
• контроль значений температуры во время различных технологических процессов;
• в системах оповещения о пожарной тревоге;
• с целью повышения эффективности использования газовых и нефтяных скважин;
• для контроля герметичности емкостей для хранения сжиженного природного газа в терминалах и на судах;
• при обнаружении протекания в трубопроводах и контроля уровня жидкости.

В дальнейшем специалисты прогнозируют развитие технологии таким образом, что закладываемые при строительстве новых сооружений оптико-волоконные системы смогут обеспечивать контроль и поддержание в необходимом диапазоне всех эксплуатационных параметров каждого объекта. Подобный подход может решить проблему моментального оповещения о происшествии и координации вызова экстренных служб.

Нефтедобыча

Использование волоконно-оптических детекторов позволяет повысить средний дебит каждой скважины, обеспечить увеличение продолжительности эксплуатации дорогостоящего насосного оборудования, достигаемого за счет внедрения систем мониторинга и автоматизации процесса. Получаемая с датчиков информация позволяет осуществлять управление процессом в режиме реального времени, своевременно корректировать параметры процесса.

Перспектива развития отрасли состоит в замене активных детекторов состояния объектов на системы пассивного контроля, что в свою очередь приведет к увеличению коэффициента извлекаемости ископаемых видов топлива и позволит снизить удельные затраты энергии на получение конечного объема продукта.

Транспортировка газа

В сфере газотранспортной системы измерение показателей температуры, давления, коррозии и деформации позволяют своевременно проводить упреждающее обслуживание газопроводов для обеспечения надежности ее работы. При этом типе оптоволоконной деформации используется кабель с дифракционными решетками, позволяющие измерять действующие нагрузки в широком диапазоне значений.

Особенности практического использования детекторов в сфере газодобычи показал наличие круглосуточного оперативного доступа для проверки технического состояния отдельных линий магистрали, что в свою очередь позволило снизить количество аварий на единицу длины трубопровода почти в 2,5 раза.

Хранение отработанного ядерного топлива

Остаточная опасность отработанных частиц ядерного топлива предъявляет особые требования к утилизации остатков продуктов распада. К полигону для хранения токсических соединений предъявляются достаточно строгие требования, среди которых необходимость обеспечения устойчивости к действию геохимических и механических факторов, обеспечение эффективности хранения с низкими эксплуатационными расходами в течение продолжительного периода времени, надежность и точность функционирования оборудования.

Значительно упростить процесс организации хранения этого вида отходов может использование чувствительных оптоволоконных элементов для определения температуры, деформации, смещения.

Авионика и автоэлектроника

Устойчивость к электромагнитным помехам, небольшие габариты, способность сохранять работоспособность в условиях повышенных и пониженных температур у этих детекторов оказались востребованы в области автоэлектроники и авионики. Чаще всего в этих сферах применяются датчики углового и линейного положений, температуры и акселерометры. В области авиации эти устройства нашли применение в используемых там гироскопах, работающих на принципе интерферометра кольцевого типа и в системе навигации летательных аппаратов.

Медицина и биотехнологии

В области медицины и клеточных технологий, эти датчики нашли применение благодаря высокой разрешающей способности, небольшому диаметру и пластичности используемого оптического волокна, биологической и химической стойкости устройств.

ПРИМЕНЕНИЕ ОПТИКО ЭЛЕКТРОННЫХ ДАТЧИКОВ

Кстати, использование дополнительного названия «электронный» к рассматриваемым типам датчиков вполне оправдано.

Помимо оптической система (излучатель, приемник) они имеют электронную схему обработки сигнала и для систем сигнализации используется термин оптико электронные.

Области применения в системах ОПС таких устройств разнообразны. Это датчики:

• движения для охранной сигнализации;
• дыма и пламени для пожарных систем.

Если до сих пор мы говорили про устройства, имеющие в своем составе приемник и передатчик и формирующие лучевой барьер – линейные датчики, то в системах охранной сигнализации широко используется объемный принцип обнаружения.

Между прочим, то что было выше указано как недостаток – поглощение или рассеивание инфракрасного излучения в определенных условиях в пожарной сигнализации работает на благо.

Это касается обнаружения дыма как одного из факторов, сопутствующих возгоранию.

Что касается систем контроля доступа (СКУД), то здесь оптические датчики используются как средства обнаружения прохода. Нужно это для того, чтобы реализовать опции контроля нахождения людей в конкретном помещении или зоне контроля, например, для учета рабочего времени.

Несколько общих замечаний по выбору и условиям эксплуатации оптико электронных устройств.

Во-первых, обращать внимание на степень пыле- влаго- защиты и температурный диапазон эксплуатации. Это достаточно очевидно

Но какая бы степень защиты не была, нельзя забывать, что загрязнение излучателей и приемников приводит к ослаблению уровня излучения, соответственно может нарушить работу датчика.

Так что обязательным элементом технического обслуживания является протирка линз прибора.

Во-вторых, существуют различные конструктивные исполнения: накладные, врезные, на кронштейнах. Выбор любого из них определяется конкретными условиями применения.

Но следует помнить, что линейные оптические датчики нуждаются в юстировке – совмещении оптических осей в направлении передачи и приема.

Поэтому при установке нужно предусмотреть:

• удобство такой настройки;
• надежную фиксацию датчиков в рабочем положении.

  *  *  *

2014-2022 г.г. Все права защищены.Материалы сайта имеют ознакомительный характер, могут выражать мнение автора и не подлежат использованию в качестве руководящих и нормативных документов.

Общий принцип действия оптоволоконных датчиков

Принцип работы волоконно-оптических датчиков основан на преобразовании сигнала, полученного от чувствительного элемента в результате внешних изменений в показатели рассеянного или отраженного излучения. Специалисты в этой области электроники говорят о том, что в качестве выходного параметра в различных типах детекторов может измеряться:

• Распределение параметров состава излучения по спектру или моде.
• Фаза электромагнитной волны.
• Показатели поляризации.
• Интенсивность оптической волны.

Одним из основных элементов, позволяющих передавать сигнал об изменении свойств или состояния объекта, являются оптические модуляторы.

Общий принцип действия оптоволоконных детекторов состоит в том, что электромагнитная волна, генерируемая супер-люминесцентным оптическим источником или лазером, передается через волокно. При этом вследствие действия внешних факторов наблюдаются изменения в решетках Брэгга или незначительное колебания параметров волокна, которые достигают модуля детектирования, где происходит прием сигнала, его усиление и оценка.

Обратите внимание! Сам по себе прибор представляет собой устройство, имеющее небольшие размеры, характерной особенностью которого является то, что волокно выступает в качестве сенсора, способного определять параметры изменения величин и в качестве линии передачи сигнала. 

Метрологическая калибровка

Серьезной проблемой ЭД, встроенных в объекты (в бетон гидротехнических плотин и мостов, в пилоны и стены высотных зданий и т. п.), является практическая трудность их периодической калибровки (метрологической поверки).

Современные интеллектуальные оптические датчики обладают функцией метрологического самоконтроля (ФМСК) в силу мультимодальности оптического сигнала, что позволяет производить самокалибровку ВОД в реальном масштабе времени без остановки контролируемых процессов и без поверочных эталонов.

В последнее десятилетие реализованы многие варианты подобных применений современных оптических датчиков и систем в экстремальных условиях атомной, нефтегазовой и авиакосмической отраслях, в судостроении, в гидротехнике, в энергетике, в строительных сооружениях, в военных и стихийных чрезвычайных ситуациях .

Сравнение точностных характеристик и диапазонов измерения ЭД и ВОД для экстремальных условий приведено в таблице.

Кроме того, долговечность работы ВОД в этих экстремальных условиях создает очевидное преимущество их применения в энергетике, нефтегазовой, аэрокосмической промышленности, строительстве и транспорте в сравнении с неоптическими типами измерительных преобразователей .

Таким образом, жесткие условия эксплуатации ВОД, например в скважинах (экстремальные по параметрам, горючие, агрессивные и абразивные среды) или энергетических установках (сверхвысокие токи и разряды, напряжения и поля, значительное ионизирующее излучение), фактически относятся к обычным рабочим условиям волоконно-оптических датчиков.

Возможно, вам также будет интересно

Сегодня ни для кого не является секретом, что качественная работа холодильного оборудования во многом способствует успешному ведению бизнеса. Значение надежной и безотказной работы холодильных машин при охлаждении пищевых продуктов, кондиционировании торговых залов и рабочих помещений трудно переоценить.
Именно поэтому одна из крупнейших сетей профессиональной торговли METRO CASH&CARRY для кондиционирования торговых залов своих магазинов выбрала проверенное годами решение – компрессорно-конденсаторные блоки (ККБ) производства компании JOHNSON CONTROLS YLU 1004 STD (YORK) на базе …

Вышла в свет книга «Изучаем Structured Text МЭК 61131-3» авторства Сергея Романова, посвященную очень актуальной сегодня теме. За последние годы потребность в программировании контроллеров на языке ST заметна возросла. Многие ведущие компании считают знание ST одним из ключевых требований для приема на работу или, как минимум, это знание приветствуют. Для производителей ПЛК, в свою очередь, ST стал рекомендованным языком для программирования. Однако выучить ST довольно непросто, особенно тем, у кого нет опыта программирования на Pascal или С-подобных языках. Книг на русском языке по этой теме …

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.

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.

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.

Температура

Проблемы контроля с помощью ЭД герметичности баков с жидким водородом, который является топливом современных ракетных двигателей, имеет температуру –253 °С и очень высокую текучесть, обусловлены тем, что при таких температурах большинство материалов становятся очень хрупкими, а чувствительность палладиевых датчиков быстро падает. Проблемным является измерение давления и сухости перегретого пара в газогенераторах и перегретого газа в соплах реактивных двигателей при температуре до +600 °С, поскольку пьезоэлектрические датчики быстро деградируют при температурах выше +300 °С.

Сенсоры современных ВОД физических величин являются теплостойкими (до +2300 °С) и хладостойкими (до –270 °С). Это позволяет надежно и долговременно контролировать техническое состояние высокотемпературных и криогенных объектов.

Агрессивные среды

Проблемными для ЭД являются также измерения физических величин химически агрессивных сред, длительные измерения деформации динамически нагружаемых объектов и сооружений, а также многодатчиковые измерения — при количестве точек контроля в несколько сотен и тысяч, поскольку объем измерительных электрических кабелей неприемлемо возрастает.

Сенсоры распределенных ВОД являются в принципе многодатчиковыми: в одном оптическом волокне (оптическом кабеле) могут быть задействованы для измерений физических величин (температуры, деформации, сейсмоакустики, давления, радиации и др.) до 10 тысяч последовательно расположенных внутриволоконных сенсоров. Многоволоконные оптические жгуты позволяют с повышенной точностью выполнять удаленные измерения с помощью скважинных видеокамер, а температурных полей — с помощью пирометров и тепловизоров.

Подробнее о применении в ядерной энергетике

В области практического применения ядерной энергетики детекторы этого типа ценят за возможность дистанционного определения ключевых показателей работы станции на безопасном для оператора расстоянии. Источник сигнала может находиться в десятках и сотнях километров от воспринимающего отклик устройства трансивера. Использование оптоволоконного кабеля позволяет избежать применения импульсных трубок, что в свою очередь делает ненужным использование металлоемкая арматура, входящая в состав труб, минимизируются неточности измерений.

Отдельное поступление сигналов обеспечивается за счет того, что каждый детектор имеет свою максимальную длину отражаемой волны. Кроме этого в конструкциях имеющих большое количество установленных в системе датчиков, сигналы от сенсорного элемента поступают с определенным временным интервалом.

ВИДЫ И ТИПЫ ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ

В зависимости от типа и конструктивного исполнения ОД могут применяться в системах:

• автоматизированного управления;
• охранно пожарной сигнализации;
• контроля и управления доступом.

В первом случае основной задачей является определение перемещения или положения предмета.

Если говорить про однолучевое исполнение, то при этом можно зафиксировать только факт появления объекта в зоне контроля. Причем точность такого позиционирования зависит от ширины (угла раскрыва) луча в рабочей зоне.

Косвенно определяется и факт перемещения (по появлению и исчезновению предмета в рабочей зоне). При этом направление перемещения определить невозможно. Для этих целей нужны, минимум, двухлучевые датчики с независимыми приемниками, работающими на прием каждым «своего» луча.

Направление движения определяется по последовательности срабатывания приемников. Обработка информации может производится отдельным прибором или устройством, интегрированным в датчик.

Такие технические решения применяются для детекции прямолинейных перемещений, или траекторий, спроецированных на плоскость. Плоскость перемещения или проекции в идеале должна быть перпендикулярна оптической оси датчика.

Классический вариант использования – контроль продукции на конвейере.

Если говорить про выбор конструктивного исполнения, то устройства, отслеживающие пересечение луча, предпочтительней по нескольким причинам:

• они стабильней в работе;
• при прочих равных условиях обеспечивают бо́льшие дальности обнаружения.

К вопросу о расстояниях. Оптические датчики способны работать на дистанциях до десятков метров. Правда, чем больше расстояние – тем ниже точность позиционирования и больше минимальный размер контролируемого объекта.

Но, как правило, для средств автоматики достаточно бывает расстояний до 1-2 метров.

Если условия эксплуатации не позволяют установить двухблочное оборудование, то применяют датчик, контролирующий отражение оптического излучения непосредственно от наблюдаемого предмета.

В этом случае возникают некоторые сложности:

• регулировка чувствительности в зависимости от коэффициента отражения луча от предмета;
• дальность действия относительно невелика и зависит от упомянутого выше коэффициента.

Радиация

Отсутствие электропитания в месте расположения ВОД не препятствует осуществлять с их помощью непрерывный дистанционный мониторинг опасных объектов, например атомных станций, в аварийных запроектных ситуациях. Известные события на японской АЭС «Фукусима–1» в 2011 г. были характерны тем, что в течение двух недель, когда АЭС была полностью обесточена, отсутствовала информация от электронных датчиков, которая была чрезвычайно важна для контроля технического состояния аварийной станции.

Первичные преобразователи (сенсоры) ВОД являются радиационно-стойкими (доза g-радиации до 21 ГГр и плотность потока быстрых нейтронов до 2×1020 нейтрон/см2), пассивными стеклянно-полимерными изоляторами, не требующими электропитания, а их оптико-электронные преобразователи (трансиверы) могут быть поэтому удалены на расстояние до 500 км от атомной станции. Это позволяет уверенно контролировать аварийную АЭС в критический период и вырабатывать решения для экстренных мероприятий по предотвращению развития аварии в ядерную катастрофу .

История появления

Развитие технологий предусматривает разработку автоматизированных систем управления и контроля, внедрение сенсорных элементов, позволяющих с высокой точностью контактным или бесконтактным способом определять изменение физических величин. Среди других требований к перспективным конструкциям современных метрологических устройств, специалисты называют:

• долговечность;
• небольшие затраты энергии на работу;
• возможность применения совместно с микроэлектронными устройствами для обработки данных;
• стабильность;
• небольшие габариты;
• малый вес;
• высокая достоверность получаемой информации;
• малая трудоемкость изготовления;
• небольшая стоимость.

Специалисты утверждают, что приобретающие все большую популярность детекторы из оптоволокна соответствуют приведенному списку по большинству пунктов. Оптическая электроника находится на стыке электроники и оптики, принцип ее работы основан на возможности использования в радиотехнике волн оптического диапазона. Возможность синтеза электронного и оптического устройства была обоснована Лоебнером в 1955 г, когда ученый описал основные параметры таких приспособлений, называя их оптронами.

Следующей важной вехой в развитии технологии было создание волокон оптического типа, основанного на успешном опыте получения фирмой Корнинг (США) волокон с небольшим показателем затухания, не превышающим 20 дБ/км. Первые работоспособные прототипы датчиков были разработаны во второй половине 70-х годов прошлого века

Следующие 10 лет после этого (1972-1982 гг) усилия исследователей были направлены на снижение потерь при передаче для оптических волокон различных видов.

Таким образом, изначально предназначенная для обеспечения связи, оптоволоконная отрасль развилась до выпуска приборов, основанных на изучении параметров электромагнитных волн, проходящих через световод и производства высокоточных 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.

Оптический датчик

Итак, пару слов об оптических датчиках… Принцип срабатывания оптических датчиков показан  на рисунке ниже

Барьерный

Помните какие-нибудь кадры из фильмов, где главным героям приходилось пройти через оптические лучи и не задеть ни один из них? Если луч задевался какой-либо частью тела, срабатывала сигнализация.

Луч излучается посредством какого-либо источника.  А также есть  «лучеприемник», то есть та штучка, которая принимает  луч. Как только  луча не будет на лучепримнике, то сразу же в нем включится или выключится контакт, который будет уже непосредственно управлять сигнализацией или еще чем-нибудь по вашему усмотрению. В основном источник  луча и лучеприемник, называется лучеприемник  правильно «фотоприемник», идут в паре.

Очень большой популярностью в России пользуются оптические датчики перемещений фирмы СКБ ИС

В этих типах датчиков есть и источник света и фотоприемник. Они находятся прямо в  корпусе этих датчиков. Каждый тип датчиков представляет из себя законченную конструкцию и используется в ряде станков, где нужна повышенная точность обработки, вплоть до 1 микрометра. В основном это станки с системой Числового Программного Управления (ЧПУ), которые  работают по программе и требуют минимального вмешательства человека. Эти бесконтактные датчики построены по такому принципу

Такие типы датчиков обозначаются буквой «T »  и называются барьерными.  Как только оптический луч прервался, датчик сработал.

Плюсы:

• дальность действия может достигать до 150 метров
• высокая надежность и помехозащищенность

Минусы:

при больших расстояниях срабатывания требуется точная настройка фотоприемника на  оптический луч.

Рефлекторный

Рефлекторный тип датчиков обозначается буквой R . В этих типах датчиков излучатель и приемник расположены в одном корпусе.

Принцип действия можно увидеть на рисунке ниже

Свет от излучателя отражается от какого-либо светоотражателя (рефлектора) и попадает в приемник. Как только луч прерывается каким-либо объектом, то датчик срабатывает.  Очень удобен этот датчик на конвейерных линиях при подсчете продукции.

Диффузионный

И последний тип оптических датчиков — диффузионные  — обозначаются буквой D. Выглядеть могут по разному:

Принцип работы такой же, как и у рефлекторного, но здесь свет уже отражается от предметов. Такие датчики рассчитаны на маленькое расстояние срабатывания и неприхотливы в своей работе.

Как работает индуктивный датчик

Как говорится, лучше один раз увидеть, чем  сто раз услышать, поэтому проведем небольшой опыт с индуктивным датчиком.

Итак, у нас в гостях индуктивный датчик российского производства

Читаем, что на нем написано

Марка датчика ВБИ бла бла бла бла, S — расстояние срабатывания, здесь оно составляет 2 мм, У1 — исполнение для умеренного климата, IP — 67 — уровень защиты (короче уровень защиты здесь очень крутой), U_b — напряжение,  при котором работает датчик, здесь напряжение может быть в диапазоне от 10 и до 30 Вольт, I_нагр — ток нагрузки, этот датчик может выдать в   нагрузку силу тока до 200 миллиампер, думаю, это прилично.

На развороте бирки схема подключения этого датчика.

Ну что, проверим работу датчика? Для этого цепляем нагрузку. Нагрузкой у нас будет светодиод, соединенный последовательно с резистором с номиналом в 1 кОм. Зачем нам резистор?  Светодиод в момент включения начинает бешено жрать ток и сгорает. Для того чтобы это предотвратить, в цепь ставится последовательно со светодиодом резистор.

На коричневый провод датчика  подаем плюс от Блок питания, а на синий  — минус. Напряжение я взял  15 Вольт.

Наступает момент истины… Подносим  к рабочей зоне датчика металлический предмет, и датчик у нас тут же срабатывает, о чем говорит нам светодиод, встроенный в датчик, а также наш подопытный светодиод.

На другие материалы, кроме металлов, датчик не реагирует. Баночка канифоли для него ничего не значит :-).

Вместо светодиода может использоваться вход логической схемы, то есть датчик при срабатывании выдает сигнал логической единицы, которая может использоваться в цифровых устройствах.