Диффузный датчик что это
Как выбрать диффузионный оптический датчик
Диффузионные оптические датчики – пожалуй, самый популярный тип фотоэлектрических сенсоров, применяемых для детектирования объектов в промышленности при автоматизации производства. Они присутствуют в номенклатуре поставок всех производителей сенсоров, например, Balluff, IFM Electronic, Banner, Omron и других. Популярность обусловлена следующими плюсами: работа с объектами из различных материалов, значительно бОльшие расстояния срабатывания по сравнению с индуктивными или емкостными сенсорами, отсутствие необходимости в дополнительных аксессуарах для функционирования (рефлектора или приемника), разнообразие корпусов совместимых с другими типами датчиков, а так же дополнительные функции и возможности.
Тип корпуса : стандартный набор совместимых цилиндрических корпусов М8, М12, М18 и даже М30 и большое разнообразие прямоугольных различных размеров у каждого производителя. Тип корпуса необходимо выбирать исходя из своей задачи, иногда требуется миниатюрный сенсор или сенсор, совместимый по габаритам и типоразмером с ранее установленным. Самый популярный тип корпуса – цилиндрический резьбовой М18, который может быть с радиальной или стандартной, аксиальной, оптикой. Радиальная оптика расположена под углом 90 градусов к оси корпуса сенсора и дает огромную экономию пространства, что может быть очень важно при монтаже и установке в труднодоступных местах.
Расстояние срабатывания: наиболее часто применяются оптические диффузионные датчики с диапазоном до 700 мм и даже меньше. Если выбирается сенсор без дополнительной функции «подавление заднего фона», то расстояние срабатывания необходимо подбирать наиболее близкое к реальному расстоянию до объекта. При этом, следует учитывать цвет поверхности объекта, поскольку чаще всего максимальные расстояния срабатывания приводятся для объектов со светлой, отражающей поверхностью. Более подробную информацию производители всегда приводят в описании на конкретный сенсор.
Выходной сигнал : так же стандартный набор совместимых с индуктивными и емкостными датчиками сигналов. Транзисторные PNP или NPN, двухпроводные NO или NC, а так же релейные выходы способные коммутировать токи до нескольких ампер. Оптические датчики с реле часто имеют дополнительные функции по задержке включения, таймеры и т.п.
Напряжение питания : постоянный ток DC, переменный ток AC и универсальный AC/DC.
Материал корпуса : для некоторых задач материал корпуса имеет большое значение. К примеру, для пищевой промышленности в подавляющем большинстве случаев требуется высококачественная нержавеющая сталь. Если необходимо сэкономить и задача это позволяет, то следует выбирать оптический диффузный датчик в пластиковом корпусе. В ряду материалов между пластиком и нержавейкой есть еще один недорогой и часто используемый материал – латунь, с различными защитными покрытиями, чаще всего никелированная.
Способ подключения : здесь все как и других сенсоров – встроенные кабели, разъемы М8 или М12, а так же клеммные блоки с кабельными вводами (чаще всего применяются для датчиков с релейными выходами).
Особенности : исходя из задачи, может потребоваться датчик с красным или инфракрасным светодиодом (считается, что фотодатчики с невидимым ик-диапазоном излучения более устойчивы к загрязнениям и запыленности). Если объект малогабаритный, то стоит посмотреть на сенсоры с лазерным светодиодом, у которых очень узкий луч и маленькое световое пятно. Ну и еще одна важная и наиболее часто используемая функция – подавление заднего фона (BGS). BGS позволяет точно настроить расстояние срабатывания оптического диффузионного датчика на объект, при этом, появление других объектов на фоне не будет вызывать ложные срабатывания. Не стоит путать BGS с простой настройкой чувствительности в стандартных бюджетных диффузных фотодатчиках.
Это наиболее важные параметры, по которым, в большинстве случаев, в нашем каталоге можно подобрать качественный оптический датчик с диффузионным отражением от объекта.
Оптические и фотодатчики. Разновидности и принципы работы
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)
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 его 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).
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.
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.
Оптический датчик типа передатчик-приемник с раздельными частями
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).
Есть вариант и в бытовом применении – видел барьерные фотодатчики в лифте:
Оптический датчик в лифте
Пока какая-то одежда или часть тела пересекает траекторию луча датчика – никто никуда не поедет.
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.
Диффузный
Этот тип датчика – с отражением от объекта.
Диффузный оптический датчик 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 датчиках несколько кнопок или регуляторов, и его можно программировать и обучать:
Диффузный датчик с обучением и множеством настроек
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:
Оптические датчики в цилиндрическом корпусе с отражателем. Контроль прохождения по конвейеру
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 предыдущие статьи (ссылки в начале), тот прекрасно знает, что это. Но применительно к оптическим датчикам нелишне повториться.
Надо увязать три события:
Путаница возникает, когда под активностью (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.
По подключению датчиков статья у меня есть (ссылка в начале), вот ещё. Как правило, схема подключения приведена на корпусе:
Схема подключения на корпусе датчика. Переключатели, регуляторы, индикаторы и клеммы – под герметичной полупрозрачной крышкой
В общем, нужно внимательно читать инструкцию, и всё проверять на практике.
Специфические датчики
Световая решетка
Это две линейки, расположенные точно напротив. На одной расположены светодиоды, на другой – фотодиоды. Таким образом, анализируя перекрытие пар свето/фотодиод, можно измерить с некоторой погрешностью геометрические данные объекта. Например, высоту или ширину объекта.
Световой барьер – линейка для измерения геометрии объектов
Световая решетка подключается к специализированному контроллеру, которые дает данные на главный контроллер.
Световой барьер
Он используется в основном для безопасности, для недопущения людей, или неправильной формы предметов в контролируемую зону.
Пара фоток, чтоб было понятно, о чем речь:
Барьер безопасности – по конвейеру проходит только то, что нужно, и только тогда, когда нужно!
Барьер в системе с датчиками
Это довольно сложная система, в которую кроме того ещё входят минимум 2 рефлекторных датчика (на фото – 4) и свой контроллер.
Лазерные
Это оптические датчики, в которых есть возможность измерения расстояния до объекта.
Лазерный оптический датчик
Лазерный оптический датчик с отображением расстояния
Лазерный оптический датчик с измерением расстояния
Принцип действия – измерение времени прохождения луча. Как в радиолокации.
Щелевые датчики
Отдельный вид датчиков с приемником и передатчиком – щелевые датчики (вилкообразные). Они удобны тем, что хоть передатчик и приемник разнесены, но расположены фактически в одном корпусе, в конструкции которого есть щель.
Щелевые оптические датчики. Два датчики, одно кольцо с прорезями.
Когда в щель между излучателем и приемником попадает активатор (предмет), датчик срабатывает. Щелевые датчики удобны там, где объект, перемещение которого детектируется, имеет небольшую фиксированную толщину. Такая конструкция очень похожа на принцип действия инкрементного энкодера.
Оптоволоконные, или волоконно-оптические
Мне встречались такие датчики в диффузном исполнении, и с приемником+передатчиком.
Смысл в том, что оптические элементы и электронная схема разнесены в пространстве, а свет передается посредством оптоволокна (пластиковый фибер).
Чувствительный элемент оптоволоконного датчика
Видите красную точку? Это выход волоконно-оптического датчика.
В отдалении на расстоянии 4 метра стоят такие блоки оптоволоконных усилителей (для трех датчиков):
Оптоволоконные усилители для датчиков
Такую систему ставят там, где очень стесненное пространство (как настраивать?) и там, где электроника работать не любит – вибрация, влажность, высок риск повреждения.
Ещё несколько фото датчиков с оптоволоконным кабелем:
Два приемопередатчика с оптоволоконными проводами к электронному блоку. Видите потертости? Это следы от индуктивных датчиков, которые постоянно ломались из-за несовершенства механики…
Электронный блок (оптоволоконный усилитель)
Оптическая часть волоконно-оптического датчика. Даже сфотографировать проблематично, не то что настроить!
Электронные блоки – оптоволоконные усилители к оптоволоконным датчикам на фото выше.
Эксперт компании LAN-ART по оптическим передатчикам — Березкин Е.Н.
Комментирует специалист, эксперт компании LAN-ART по оптическим передатчикам — Березкин Евгений Николаевич: “Сегодня в каждом современном доме существуют оптические приемники и передатчики, работающие по оптоволокну. Оптический передатчик сетей кабельного телевидения (КТВ) служит для формирования оптического сигнала, промодулированного электрическим телевизионным сигналом с диапазоном частот группового ТВ-сигнала 47… 862 МГц. В таких передатчиках используют лазеры, в приемниках – фотодиоды. В системе используется оптическое излучение с длиной волны 1100-1600 нм. “
Аналоговые
Аналоговыми эти датчики являются по виду выходного сигнала. Принцип работы может быть как у лазерного, или просто измеряется интенсивность отраженного сигнала.
В данном случае – аналоговый сигнал, соответствующий расстоянию до поверхности разматываемой катушки, подается на аналоговый вход контроллера (АЦП). И контроллер рассчитывает диаметр катушки.
Оптический датчик, измеряющий расстояние до объекта. Красная точка справа показывает место измерения. Корпус датчика защищен от ударов элементом крепления
Этот же датчик приведен в самом начале статьи. У него также есть и дискретный выход, который можно запрограммировать, и он сработает при определенном расстоянии.
Оптический датчик пламени
Этот датчик стоит особняком – он воспринимает свет от пламени сгораемого газа либо другого топлива. Используется в промышленных котельных, где нужна повышенная безопасность.
Вот такая есть модель:
Датчик пламени для котельной с дискретным выходом
Датчик наличия пламени от сгорания газа
Принцип действия – как у радиолампы.
Эй, кто-нибудь ещё помнит, что были аналоговые телевизоры на радиолампах?! Статья про то, как я включил старый ламповый телевизор.
Неисправности и уход за оптическими датчиками
Так же как и оптика зеркальных фотоаппаратов – нужна чистка, аккуратная протирка и проверка механической целостности.
Я для чистки оптики использую салфетки, смоченные в воде с добавлением ничтожного количества нейтрального моющего средства. Например, для посуды. Потом вытираю сухой салфеткой. Главное – чтобы не попал абразив.
Ещё особенность. В оптических датчиках излучающий элемент – как правило, светодиод. Он имеет свой ресурс работы, и со временем интенсивность его излучения падает. Поэтому неудивительно, что раз в несколько лет приходится настраивать чувствительность датчиков, такова селяви…
Скачать книгу про датчики
Всё в статью не вместилось, есть ещё много фото и интересных историй про оптические датчики, но статья не резиновая)))
Поэтому задавайте вопросы и делитесь опытом и фото в комментариях, буду рад!
А ещё буду рад увеличению количества подписчиков и активности в моей группе ВК! Заходите, там самая оперативная информация, которая иногда даже не появляется на блоге.
Также жду новых читателей и подписчиков на моем канале Яндекс.Дзен. Кстати, вот интересная статья в тему на Дзене – разновидности и примеры реального применения энкодеров. Приведены описания реальных узлов оборудования, в которых применяются энкодеры.
Принцип работы оптического датчика
Задача определения наличия объекта, несмотря на кажущуюся простоту решения, до сих пор остаётся важной и зачастую нетривиальной для многих отраслей промышленности. На малых расстояниях с этим справляются бесконтактные индуктивные и емкостные датчики, а также различные варианты контактных выключателей. Однако нередки случаи, когда задача требует обнаружить объект на больших дистанциях – до нескольких десятков метров. В этом случае на помощь приходит ещё один вид бесконтактных датчиков – оптические датчики.
Оптические датчики, также называемые оптоэлектронными или фотоэлектрическими – совокупное название огромного класса устройств, которые объединены общим принципом работы и основными элементами конструкции. В зависимости от задачи те или иные элементы конструкции, а также габариты датчика могут различаться кардинально – от крохотного цилиндра диаметром не более миллиметра до громоздких и тяжелых устройств, способных работать на дистанциях более ста метров.
В общем случае каждый оптоэлектронный датчик состоит из двух основных компонентов – излучателя и приёмника. В свою очередь, излучатель обычно включает в себя:
излучатель (светодиод, лазер, либо иной вариант)
настроечный элемент (потенциометр/кнопка/винт) 
Приёмник же является более сложным устройством и включает:
электронный элемент переключения
настроечный элемент (потенциометр/кнопка/винт)
индикаторы работы и срабатывания
В отдельных случаях приёмник датчика может также включать в себя таймер, обеспечивающий возможность настройки задержки срабатывания, либо более сложные варианты электроники, например, счётчик, который вызывает переключение выходного сигнала датчика только после последовательного обнаружения определенного количества объектов. Также весьма распространена функция индикации стабильности сигнала, которая позволяет определить нестабильный уровень освещённости приёмника, например, в случае, когда объект находится на границе зоны чувствительности.
Принцип действия оптических датчиков в общем случае сводится к реакции фотодиода приёмника на свет от излучателя, что вызывает при достижении определенной интенсивности освещения срабатывание триггера приёмника и переключение выходного сигнала. В основном применяются светодиодные либо лазерные источники света красного спектра, что обеспечивает устойчивость датчика к помехам. Кроме того, точная настройка электроники датчика на работу с определенной длиной волны света позволяет существенно снизить влияние посторонних засветок на стабильность срабатывания.
По конструкции оптические датчики можно подразделить на одно- и двухкомпонентные. Приёмник и излучатель однокомпонентного датчика размещены в едином корпусе, в то время как для двухкомпонентных датчиков эти элементы разнесены по разным корпусам. Основных типов же датчиков три:
барьерные или однонаправленные – изготавливаются по двухкомпонентной схеме и срабатывают на пересечение объектом луча, который проходит от отдельно стоящего излучателя к приёмнику. Для датчиков такого типа характерна наибольшая среди данного класса устройств дальность действия, которая может достигать более 100 метров, а также высокая надёжность срабатывания в силу простоты принципа действия. Помимо прочего, данные датчики в отдельных случаях способны работать в средах с высоким уровнем загрязнённости.
рефлекторные или отражательные – имеют однокомпонентную схему и работают на отражение луча излучателя от установленного отдельно отражателя. Зачастую подобные датчики применяются в системах конвейеров для подсчёта объектов. Как и барьерные, рефлекторные датчики срабатывают на пересечение луча. В случае, если существует возможность появления в зоне действия датчика объекта, поверхность которого имеет сильную отражающую способность (металлическая, зеркальная), датчики оснащаются поляризационным фильтром, который препятствует срабатыванию датчика на отраженный от объекта свет, поскольку в таком случае направление волны света отличается от отраженного от рефлектора.
диффузные – также изготавливаются по однокомпонентной схеме и предназначены для непосредственного определения наличия объекта посредством приёма рассеянного отраженного от объекта света излучателя. Данные датчики отличаются наименьшей дальностью действия среди всех оптических датчиков, которая составляет обычно не более 2 метров. Кроме того, они чувствительны к отражающей способности поверхности объекта, поэтому их применимость для контроля наличия объектов разного цвета и/или с более или менее зеркальной поверхностью ограничена. Для повышения надёжности датчики оснащаются функцией подавления внешней засветки, а также большинство из них имеют возможность точной подстройки как при помощи потенциометра, так и посредством электронной калибровки по кнопке или внешнему сигналу. Также данная категория датчиков нередко имеет функцию подавления заднего фона, которая позволяет срабатывать только на объекты, находящиеся на определенном расстоянии от датчика, несмотря на возможное наличие объектов в пределах зоны действия датчика, но дальше искомого объекта.
На выходе оптического датчика обычно находится стандартный транзистор PNP/NPN. В отличие от иных датчиков дискретного типа, имеющих стандартное обозначение выхода как НО (нормально открытый) либо НЗ (нормально закрытый) контакт, для оптических датчиков введены специальные обозначения:
Light ON – переключение происходит при наличии попадающего на фотодиод света от излучателя
Dark ON – переключение происходит при прерывании луча, т. е. при отсутствии попадающего на фотодиод света
В зависимости от типа датчика меняется и соответствие его выхода классической классификации НО/НЗ:
Срабатывание на свет (Light ON)
Срабатывание на отсутствие света (Dark ON)