Фотоэлектрические датчики принцип действия

Фотоэлектрические датчики: назначение и устройство. Принцип работы фотоэлектрических датчиков

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 https://techtrends.ru/catalog/fotoelektricheskie-datchiki/» target=»_blank»>фотоэлектрические датчики используют три возможных фотоэффекта, которые зависят от того, как изменяются свойства предмета при наличии изменений в уровне освещения.

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

Виды устройств

Можно встретить фотоэлектрические датчики аналогового или дискретного вида.

У аналоговых выходной сигнал может меняться пропорционально имеющемуся уровню освещения. Обычно такие устройства применяют при создании элементов освещения, управляемых автоматически.
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:

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.
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.
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.
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.

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.
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.
Ширина луча визирования также играет важную роль, поскольку от нее напрямую зависит разрешение датчика и то, с какими объектами он может работать.
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.
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.
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.

Роботизация производственных линий
Роботехническая лаборатория
Системы технического зрения
Обязательная маркировка товаров
Автоматизация производства
Модернизация производства
Комплексная поставка оборудования
Программирование промышленных контроллеров
Сборка электрощитов управления
Диагностика и ремонт оборудования

Пищевая промышленность
Упаковка и маркировка
Обрабатывающая промышленность

Техническая консультация специалистов
Предпроектный анализ объекта управления
Составление технического задания
Разработка проекта
Заказ и поставка оборудования
Тестирование оборудования
Разработка проектной документации
Монтаж и пусконаладка АСУ на объекте
Обучение персонала заказчика
Гарантийное и послегарантийное обслуживание
Ремонт вышедшего из строя оборудования
Срочный ремонт и замена оборудования

Пищевая промышленность
Упаковка и маркировка
Деревообработка
Обрабатывающая промышленность

OMRON
Schneider Electric
SICK
EATON
YASKAWA
Delta
SIEMENS
ABB
Bussmann

Обучение
Статьи

О нас
Наши клиенты
Отзывы
Сертификаты
Контакты

Любая информация, переданная Сторонами друг другу при пользовании ресурсами Сайта (http://www.techtrends.ru), является конфиденциальной информацией.
Пользователь дает разрешение Администрации Сайта на сбор, обработку и хранение своих личных персональных данных, а также на рассылку текстовой и графической информации рекламного характера.
Стороны обязуются соблюдать данное соглашение, регламентирующее правоотношения связанные с установлением, изменением и прекращением режима конфиденциальности в отношении личной информации Сторон и не разглашать конфиденциальную информацию третьим лицам.
Администрация Сайта собирает два вида информации о Пользователе:

— персональную информацию, которую Пользователь сознательно раскрыл Администрации Сайта в целях пользования ресурсами Сайта;
— техническую информацию, автоматически собираемую программным обеспечением Сайта во время его посещения.

Фотоэлектрические датчики. Фотодатчики. Устройство, типы и виды фотодатчиков.

Фотоэлектрические датчики (фотодатчики) используются в автоматике для преобразования в электрический сигнал различных неэлектрических величин: механических перемещений, скорости размеров движущихся деталей, температуры, освещенности, прозрачности жидкой или газовой среды и т. д.

По принципу кодирования информации фотодатчики можно разделить на две группы: с амплитудной модуляцией светового потока и с временной или частотной модуляцией. У датчиков с амплитудной модуляцией значение фототока пропорционально световому потоку, зависящему от управляемой (контролируемой) неэлектрической величины. У датчиков с временной или частотной модуляцией фототок изменяется дискретно за счет полного или частичного прерывания светового потока от воздействия неэлектрической величины. Информация об управляемом (контролируемом) параметре кодируется в этих датчиках в виде числа, частоты или длительности импульсов фототока.

Фотодатчик в общем случае состоит из фотоэлектрического чувствительного элемента (фотоэлемента) источника света и оптической системы. В некоторых случаях фотодатчики используют световое излучение объекта управления (контроля) и не содержат источника света (датчики астрономического компаса, температуры, освещенности и др.). Некоторые датчики с целью упрощения конструкции могут не содержать оптической системы.

В большинстве фотодатчиков преобразование входной неэлектрической величины в электрический сигнал осуществляется в два этапа: сначала происходит ее преобразование в изменение одного из параметров светового потока (силы света, освещенности, спектрального состава и т. п.), а затем это изменение преобразуется фотоэлементом в электрическую величину (фототок, падение напряжения, фото-ЭДС и т. д.).

Все фотодатчики по характеру формирования воздействия светового потока на фотоэлемент можно разделить на несколько видов.

1. Фотодатчики, у которых световой поток изменяется за счет перемещения объекта управления (контроля) или изменения размеров объекта (рис. 2-7). В этих датчиках источник света 1 и оптическая система (конденсор) 2 формируют параллельный и равномерный световой поток Ф.. В этом световом потоке помещается деталь З, размеры которой нужно контролировать, или заслонка 4, связанная механически с ОУ и перекрывающая часть светового потока. При изменении размера детали d или при перемещении заслонки х изменяется количество света (лучистой энергии), попадающего на фотоэлемент 5. Для повышения чувствительности световой поток Ф1, содержащий информацию о размерах детали (или о перемещении объекта), собирается оптической системой 6 и фокусируется на светочувствительную поверхность фотоэлемента. По такому принципу работают датчики фотоэлектрических микрометров, датчики длины, площади, деформаций и т. д. На этом принципе основана работа и дискретных фотодатчиков, таких, как фотоэлектрические датчики (преобразователи) «угол — код», датчики частоты вращения, фотосчитывающие датчики с перфолент, перфокарт, фотодатчики конца магнитной ленты, датчики размеров петли магнитной ленты, находящейся в кармане лентопротяжного механизма ЗУ на магнитной ленте, и т. д.

2. Фотодатчики, у которых световой поток попадает на фото элемент после отражения от объекта управления (контроля) (рис. 2-8). В этих фотодатчиках источник света 1 и оптическая система 2 формируют узкий световой луч, который после отражения от объекта З попадает через собирающую и фокусирующую оптическую систему 4 на фотоэлемент 5. Количество отраженного света, попадающего на фотоэлемент, зависит от отражательной способности поверхности объекта (чистоты обработки, блесткости, наличия участков, покрытых краской, и т. п.). Такие фотодатчики используются в читающих автоматах, способных автоматически считывать и кодировать информацию с текстовых и графических документов, в измерителях чистоты поверхности, фотоэлектрических рефлектометрах, гигрометрах и пр.

3. Фотодатчики, у которых световой поток создается объектом управления (контроля) (рис.2-9). В этих фотодатчиках световой поток, излучаемый ОУ, содержит информацию об управляемом (контролируемом) параметре объекта 1. Оптическая система 2 собирает и фокусирует световой поток на светочувствительную поверхность фотоэлемента З. Подобные фотодатчики используются в фотоэлектрических измерителях температуры, дозиметрах лучистой энергии, приборах для эмиссионного спектрального анализа.

В качестве чувствительных элементов в фотодатчиках используются фотоэлементы с внешним, вентильным и внутренним фотоэффектом.

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом

Это вакуумные и газонаполненные фотоэлементы, фотоумножители обладают высокой линейностью световой характеристики (зависимость фототока от светового потока), высокой температурной стабильностью характеристик. Однако они имеют и ряд существенных недостатков, ограничивающих их применение в устройствах автоматического управления и контроля: необходимость в повышенном напряжении питания (сотни и тысячи вольт); хрупкость стеклянного баллона и возможность деформации электродов при механических воздействиях; старение и утомляемость фотоэлементов (снижение чувствительности при сильной освещенности).

Они отличаются Высокой надежностью и долговечностью не нуждаются в источнике питания, имеют малую массу и габариты. Недостатками их являются: сильное влияние окружающей температуры; утомляемость и высокая инерционность, ограничивающая применение при частоте прерывания светового потока в несколько десятков герц.

Фотодиоды и фототриоды

широко применяются в фотодатчиках различного типа. Они имеют линейную световую характеристику, высокую чувствительность, малую инерционность (частота прерывания светового потока может быть до нескольких килогерц), малые габариты. В зависимости от схемы включения различают вентильный и фотодиодный (фототриодный) режимы работы фотодиодов и фототриодов.

В вентильном режиме фотодиод является генератором фото тока и не нуждается в источнике питания. Фототриод в вентильном режиме можно рассматривать как комбинированный электронный прибор — фотодиод ( п-р -переход цепи база — эмиттер) и собственно триод, усиливающий фототок, который возникает в цепи база — эмиттер под действием светового потока. База фототриода в этом режиме замыкается накоротко с эмиттером. В вентильном режиме фотодиоды и фототриоды используются в фотодатчиках с пропорциональной световой характеристикой (измерение размеров, перемещений, температуры и т. д.).

В фотодиодном режиме к фотодиоду нужно приложить в обратном запирающем направлении внешнее напряжение. У фототриодов в фототриодном режиме в цепь базы подается напряжение смещения от внешнего источника. Фотодиодный (фототриодный) режим включения фотодиодов (фототриодов) используется в основном в фотодатчиках с дискретной световой характеристикой (фотосчитывающие устройства с перфолент, перфокарт, фотоэлектрические преобразователи «угол—код», читающие автоматы и т. д.). В фотодиодном (фототриодном) режиме фотодиоды и фототриоды имеют большую чувствительность, чем в вентильном (выходным сигналом в этом режиме является напряжение).

наряду с фотодиодами и фототриодами находят широкое применение, причем в основном в фотодатчиках с дискретной световой характеристикой. Достоинством фоторезисторов является высокая чувствительность, стабильность параметров, большая надежность и долговечность, возможность работы, как на постоянном, так и на переменном токе, малые габариты. К их недостаткам следует отнести большую инерционность, сильное влияние окружающей температуры, нелинейность световой характеристики, большой разброс параметров у фоторезисторов одной партии.

В качестве источников световой энергии в некоторых фотодатчиках используется сам ОУ (при измерении температуры, освещенности и т.п.). Большинство же фотодатчиков

нуждается в искусственном источнике светового потока. Наибольшее распространение в качестве такого источника в фотодатчиках получили недорогие и простые в эксплуатации

лампы накаливания. С целью повышения их надежности и долговечности рабочее

напряжение снижают на 20—З0 % по сравнению с номинальным.

Для работы в инфракрасной области спектра применяют специальные излучатели в виде штифтов из жаропрочных полупроводниковых материалов. Менее распространены в фотодатчиках газоразрядные лампы. Они имеют высокую светоотдачу и потребляют при этом в 2—З раза меньше энергии, чем лампы накаливания. Однако номенклатура этих ламп ограничена, габариты их больше, чем ламп накаливания.

Оптические системы фотодатчиков служат для перераспределения в пространстве потока лучистой энергии с целью повышения эффективности воздействия объектов управления (контроля) на параметры лучистого потока. Функции оптических систем фотодатчиков весьма разнообразны и требуют применения самых различных линз, зеркал, призм, диафрагм, дифракционных решеток, светофильтров и т. д.

С целью повышения помехоустойчивости в некоторых фотодатчиках размещается предварительный усилитель выходного сигнала фотоэлемента. Для этой цели в настоящее время в основном используют микроэлектронные операционные усилители.

В целом, оценивая фотодатчики , следует отметить их большую универсальность, отсутствие обратного воздействия на объект управления (контроля) — бесконтактность. Недостатками фотодатчиков являются чувствительность к вибрациям, ударам, плохая работа в запыленной, загазованной и влажной среде, помехи от осветительных приборов общего освещения.

Фотоэлектрические датчики положения — принцип работы и применение

Датчики — в системах автоматического регулирования — чувствительные элементы или устройства, воспринимающие величину контролируемого параметра объекта и выдающие сигнал на устройство сравнения этой величины с заданной величиной, при этом вырабатывается сигнал разности или рассогласования, который через другие устройства воздействует на объект регулирования.

Область применимости фотоэлектрических датчиков положения охватывает широкий промышленный спектр. Датчики данного типа помогают решать задачи, связанные с управлением технологическими процессами производства, где необходимо осуществлять обнаружение, позиционирование или просто подсчет тех или иных объектов.

В силу своей универсальности, фотоэлектрические датчики находят сегодня самое обширное применение там, где необходима промышленная автоматизация. Они отличаются возможностью проводить бесконтактные измерения и подсчет объектов, и выводить соответствующую информацию в виде цифрового сигнала, который легко воспринимается и обрабатывается любым современным контроллером.

Цифровые выходы обычно содержат PNP или NPN-транзисторы либо просто реле. Питание осуществляется постоянным (или сетевым) напряжением от 10 вольт в пределах 240 вольт.

Принцип прерывания луча

Два корпуса — излучатель и приемник, составляют одно устройство. Они устанавливаются по разные стороны от места, где предполагается прохождение объекта. Приемник статично фиксируется напротив излучателя так, что непреломленный луч от излучателя всегда попадает в детектор приемника.

Рабочий диапазон (размеры фиксируемого объекта) практически неограничен, причем определяемые объекты могут быть как прозрачными, так и непрозрачными.

Если объект непрозрачный, то луч просто перекрывается, блокируется объектом. Если же объект прозрачный, — луч отклоняется или рассеивается так, что приемник его не видит, пока объект не покинет место его обнаружения. Так обеспечивается высокая надежность и точность работы фотоэлектрического датчика, основанного на принципе прерывания луча. Данные датчики способны работать на расстояниях между излучателем и приемником от нескольких сантиметров до десятков метров.

Принцип отражения луча от рефлектор

Датчик состоит из двух частей — излучателя и рефлектора. Приемник и излучатель находятся в одном корпусе, который неподвижно крепится с одной стороны исследуемого места, а с другой стороны устанавливается рефлектор (отражатель). Различные отражатели позволяют использовать датчики такого типа на разных расстояниях, кроме того чувствительность приемника может иногда регулироваться.

Данные датчики также подходят для обнаружения стекла и других хорошо отражающих поверхностей. Как и в случае с датчиками, работающими по принципу прерывания луча, датчики на основе рефлектора позволяют измерять габаритные размеры объектов или просто считать их.

Поскольку корпус здесь один, то прибор в целом требует меньше места для установки, иногда это является важным преимуществом, особенно для систем автоматизации требующих компактности. Данные датчики способны работать на расстояниях между корпусом и рефлектором от нескольких сантиметров до нескольких метров.

Принцип отражения луча от объекта

Все устройство представляет собой одиночный корпус, содержащий излучатель и приемник, способный реагировать даже на рассеянный отраженный от объекта луч. Модели датчиков данного типа имеют преимущественно небольшую стоимость, занимают меньше всего места для установки, им не нужен рефлектор.

Достаточно статично закрепить датчик недалеко от исследуемой зоны, и настроить его чувствительность в соответствии с типом поверхности обнаруживаемого объекта. Датчики данного типа подходят для работы на небольших расстояниях до исследуемых объектов, порядка нескольких десятков сантиметров, например с продуктами, движущимися на конвейерной ленте.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Фотоэлектрические датчики

Фотоэлектрические датчики применяются в закрытых помещениях для автоматизации различных видов технологических процессов в промышленности и на производстве, а также для выполнения широкого перечня других задач. Основной функцией устройства является бесконтактное получение информации о состоянии находящегося перед ним объекта: определение соответствия заданным параметрам скорости его перемещения, размеров, степени прозрачности и других данных. Полученные при помощи отраженного светового пучка данные преобразуются в электрический сигнал, который поступает на контроллер. В зависимости от принципа кодирования светового сигнала, примененного в конкретной модели датчика (амплитудной, временной или частотной модуляции), требуемый параметр отображается в виде частоты, продолжительности или количества световых импульсов.

Особенности конструкции

Основными элементами конструкции любого фотоэлектрического датчика являются:

Излучатель (источник светового луча). В качестве этого элемента применяют светодиод – полупроводник, излучающий свет с определенной длиной волн или цветом при прохождении через него электрического тока. Применяются инфракрасные светодиоды, позволяющие отслеживать направление луча, создающие больше света и выделяющие меньше тепла по сравнению с другими типами, а также желтые, синие и красные, оптимальные для применения в ситуациях, когда необходимо отслеживать цвет или оттенок наблюдаемого объекта. Конструкция излучателей отличается прочностью, устойчивостью к механическим повреждениям и позволяет выполнять работы в широком температурном диапазоне окружающей среды.
Приемник светового сигнала (фотодетектор). Фототранзистор или фотодиод чувствительный к длине волн света и его интенсивности. В зависимости от типа получаемых воздействий изменяет параметры проходящего через него тока.
Линза – предназначена для ограничения области принимаемого света, а также увеличения расстояния обнаружения исследуемого объекта.
Выходное устройство с дискретным или аналоговым выходом, осуществляющее переключение в пользовательской цепи. Применяются несколько типов таких устройств (электромеханическое реле, полевой транзистор, симистор и другие), каждое из которых имеет свои преимущества, недостатки и, соответственно, сферу применения.

Особенности конструкции определяются сферой применения и требованиями к прибору. Так, датчики, предназначенные для определения температуры или освещенности (например, датчики, управляющие автоматическим включением и отключением осветительных приборов), могут не оснащаться световым излучателем, а некоторые упрощенные модели не имеют линз.

В большинство датчиков для обеспечения искусственного светового потока применяются лампы накаливания, с целью обеспечения более долгого срока службы работающие на напряжении 70-80% от номинального. В качестве альтернативы допускается применение более экономичных и эффективных газоразрядных ламп, однако, в силу больших габаритов и меньшего ассортимента применение такого источника света не настолько популярно.

Для предотвращения искажения сигнала в результате воздействия помех в некоторых моделях устройств размещается микроэлектронный операционный усилитель выходного сигнала.

Основные разновидности фотодатчиков

В зависимости от способа передачи воздействия светового луча на фотодетектор фотодатчики подразделяют на несколько видов.

Фотоэлектрические датчики, воспринимающие изменение характеристик светового потока при передвижении исследуемого объекта, а также при изменении его формы или размеров. Конструкция таких устройств предусматривает создание параллельного и равномерного светового излучения при помощи излучателя и линзы. Исследуемый объект или связанная с ним механическим способом заслонка размещаются в световом потоке. В случае изменения размера или месторасположения наблюдаемого элемента, а также при изменении положения заслонки изменяется количество света, попадающего на приемник светового сигнала (фотодетектор). Для получения более точных данных о происходящих изменениях перед попаданием на фотодетектор световой поток предварительно проходит через оптическую систему. Такой тип устройств оптимален при необходимости выполнения работ связанных с измерением геометрических параметров наблюдаемого объекта (длины, ширины, площади, высоты), а также частоты вращения детали и при считывании информации с перфолент или перфокарт.

Фотоэлектрические датчики, работающие по принципу анализа изменений отраженного от наблюдаемого объекта светового луча. Сформированный светодиодом луч, проходя через оптическую систему, сужается и попадает на поверхность объекта. Отраженный свет проходит через фокусирующую линзу и поступает на приемник светового сигнала. Количество поступившего света зависит от особенностей поверхности исследуемого объекта: качества и вида обработки, отражающей способности, наличия защитных или декоративных покрытий и других факторов. Такие устройства применяются для определения особенностей поверхности объекта, а также считывания и шифрования графической информации (текстов, изображений) с бумажных и других носителей.

Фотодатчики, принимающие световой поток, создаваемый самим исследуемым объектом. Излучаемый поток света фокусируется линзой и поступает на датчик. Применяются для определения характеристик излучения, создаваемого контрольно-измерительными приборами (оптико-электронными измерителями температуры, атомно-эмиссионными спектральными анализаторами и другими).

Виды фотоэлементов и принцип их работы

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) преобразовывают энергию светового излучения в электрический сигнал при помощи вакуумных или наполненных газом стеклянных колб с напылением на части внутренней поверхности тонкого металлического слоя, выполняющего функцию катода и предназначенного для получения электрического тока малой мощности. В роли анода выступает размещенная внутри колбы проволочная петля или металлический диск, предназначенный для улавливания фотоэлектронов. К катоду и аноду подключается внешний источник электрического тока. При воздействии излучения на катод часть электронов получает дополнительную энергию, после чего они попадают в вакуумную среду колбы и, благодаря возникшему в результате подключения к электродам источника питания электрическому полю, направляются к аноду. Величина возникающего фототока прямо пропорциональна силе светового потока. К недостаткам таких устройств относится невысокая прочность стеклянной колбы, вероятность повреждения электродов и снижение чувствительности фотоэлементов при длительной эксплуатации.

Вентильные фотоэлементы (с запорным слоем) состоят из нижнего металлического электрода, электронных и запирающего слоев, а также верхнего полупрозрачного металлического электрода. Все элементы помещены в пластиковый корпус с отверстием, пропускающим световой поток. При прохождении светового потока и попадании его на фотослой проводник и полупроводник приобретают разноименные заряды. Основными преимуществами таких элементов является устойчивость к механическим повреждениям, высокая чувствительность и отсутствие потребности в источнике питания. К недостаткам относится инерционность, чувствительность к температуре окружающей среды и относительно невысокий срок службы.

Фотодиоды – полупроводниковые диоды, способные изменять свои свойства под воздействием светового потока. При отсутствии воздействия света диод обладает стандартными характеристиками. В зависимости от схемы расположения в электрической цепи фотодиод может выполнять различные функции. При работе в вентильном режиме потребность в дополнительном источнике питания отсутствует, а сам диод совмещает функции фотодиода и триода, являясь усилителем фототока, возникающего под воздействием светового излучения. Такой режим применяется для выполнения измерений размеров исследуемого объекта, его перемещений и температуры. Для работы в фотодиодном режиме требуется применение внешнего источника питания, при этом диод приобретает большую чувствительность, что делает возможным его применение для считывания информации с перфокарт, перфолент и других носителей.

Фоторезисторы – при воздействии светового потока на фотоэлемент возрастает их проводимость и увеличивается сила тока в цепи. Такие элементы компактны, прочны, высокочувствительны, а также могут работать и на переменном, и на постоянном токе. В то же время они достаточно инерционны и подвержены температурным воздействиям.

Возможные ограничения и область применения

В процессе монтажа, настройки и эксплуатации датчиков следует придерживаться ряда требований и рекомендаций:

Обеспечить защиту места установки датчика от воздействия лучей ярких источников света, а также люминесцентных ламп.
Во избежание возникновения помех использовать кабель минимально возможной для конкретных условий установки длины.
При установке учитывать, что расстояние срабатывания датчика зависит от материала, формы поверхности и габаритов объекта.
В процессе монтажа датчиков соблюдать необходимое расстояние от поверхности установки, исключающее возможность отражение света от поверхности.
Избегать прокладки кабеля датчика в одном канале с высоковольтным кабелем.
Очищать оптический элемент сухой тканью, не применяя щелочей и кислот.

Помимо промышленного производства фотоэлектрические датчики применяют и для выполнения широкого перечня других задач:

Управления производственным оборудованием и станками.
В качестве одного из основных элементов пропускной системы метрополитена.
Контроля площади лекал и других заготовок сложной геометрической формы.
В процессе плазменной резки металла для считывания заданной программы с перфокарты.
При выполнении ряда процессов в типографии – подсчет листов, контроль правильности резки и укладки, а также управление работой станка.

Также фотоэлектрические датчики используются в современных наукоемких отраслях (робототехнике и других).

Основные характеристики фотоэлектрических датчиков

При выборе устройства для конкретных целей и условий эксплуатации следует руководствоваться прилагаемой производителем документацией, в которой указаны все необходимые характеристики прибора:

Практическая способность обнаружения наблюдаемых объектов – одна из основных характеристик, определяющая условия, в которых устройство сможет полноценно выполнять свои функции.
Максимальное и минимальное расстояние до объекта. В зависимости от характеристик конкретной модели этот показатель может составлять от 5 мм до 250 м. Подбирается в зависимости от специфики применения.
Ширина луча, влияющая на разрешение датчика и определяющая параметры объектов контроля.
Время реагирования, скорость включения, выключения и обработки объекта. Особенно такой параметр важен при использовании датчиков на конвейерных линиях с большой скоростью движения и количеством обрабатываемых объектов.
Энергопотребление датчиков. Работа устройств не должна оказывать чрезмерной нагрузки на систему электроснабжения и влиять на работу другого применяемого на предприятии оборудования.

Также стоит обратить внимание на размеры и вес устройств (подойдут ли они для эксплуатации в конкретных условиях или потребуют выполнения дополнительных работ при установке), сложность монтажа, требования к температурному режиму и влажности в помещении и другие факторы.

Фотоэлектрические датчики: назначение и устройство. Принцип работы фотоэлектрических датчиков

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.

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.

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.

http://www.techtrends.ru/techdept/techarticles/fotoelektricheskie_datchiki.php

Фотоэлектрические датчики

фотоэлектрический датчик – это специальный датчик, который способен реагировать на изменение освещенности.

В специальных фотоэлектрических датчиках могут использоваться 3 вида фотоэффекта:

1. Внешний фотоэффект. Он заключается в том, что под влиянием световой энергии будет происходить вылет электронов из катода электронной лампы. Величина тока эмиссии будет зависеть от освещенности катода.

2. Внутренний фотоэффект. Он будет заключаться в том, что активное сопротивление полупроводника находится в зависимости от его освещенности.

3. Вентильный фотоэффект. Заключается в том, что между слоями освещаемого проводника и неосвещаемого полупроводника будет возникать электродвижущая сила, величина которого будет зависеть от освещенности.

Важно знать! Фотоэлементы, которые имеют внешний фотоэффект представляют собою вакуумную или газонаполненную лампу с катодом из фоточувствительно слоя.

Анод и катод специального фотоэлемента заключается в стеклянный баллон, из которого будет откачан воздух. Когда световой поток будет попадать на катод часть лучистой энергии сообщается электронам и электроны будут вылетать из катода. Это явление может иметь название фотоэлектронная эмиссия. Чтобы ее использовать между фотокатодом и анодом будет создаваться электрическое поле, которое будет направлять электроны к положительно заряженному аноду. Когда действие света будет прекращено, тогда ток постепенно исчезнет. К фотоэлементам промышленного типа будут принадлежать:

· ЦГ (Кислородно-цезиевый газонаполненный).

· СЦВ (сурьмяно-цезиевый вакуумный).

Работа каждого элемента будет определяться рядом характеристик. В этой статье мы постарались рассмотреть только некоторые из них.

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).

Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.

Папиллярные узоры пальцев рук — маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни.

Фотоэлектрические датчики

В этой статье наш сайт “Все-электричество” рассказывает про фотоэлектрический датчик – это специальный датчик, который способен реагировать на изменение освещенности.

В специальных фотоэлектрических датчиках могут использоваться 3 вида фотоэффекта:

Внешний фотоэффект. Он заключается в том, что под влиянием световой энергии будет происходить вылет электронов из катода электронной лампы. Величина тока эмиссии будет зависеть от освещенности катода.
Внутренний фотоэффект. Он будет заключаться в том, что активное сопротивление полупроводника находится в зависимости от его освещенности.
Вентильный фотоэффект. Заключается в том, что между слоями освещаемого проводника и неосвещаемого полупроводника будет возникать электродвижущая сила, величина которого будет зависеть от освещенности.

ЦГ (Кислородно-цезиевый газонаполненный).
СЦВ (сурьмяно-цезиевый вакуумный).

Световые характеристики фотоэлемента

Световая характеристика фотоэлемента – это зависимость фототока от светового потока, который в дальнейшем будет попадать на фотокатод. Чувствительность фотоэлемента – это отношение величины фототока в микроамперах к величине светового потока в люменах. Фотоэлемент будет реагировать на интенсивность светового потока и его частоту. Поэтому чувствительность будет распределяться на интегральную и спектральную.

Интегральная чувствительность – это величина тока фотоэлектронной эмиссии, которая создает в фотоэлементе всем световым потоком.
Спектральная чувствительность – это способность реагировать на световые колебания одной частоты.

Если рассмотреть вакуумные фотоэлементы анодный ток будет обусловлен только электронами, которые будут вылетать из фотокатода. В газонаправленных фотоэлементах ток будет создаваться не только электронами, но и ионами, которые будут получены в результате ионизации газа. Этим будет полностью объясняться нелинейность их световых характеристик. Чувствительность газонаправленного фотоэлемента будет больше, чем чувствительно вакуумного фотоэлемента. Интегральная чувствительность фотоэлемента типа СЦВ-4 будет составлять 100 мкА/лм.

Для использования фотоэлементов в схемах автоматики потребуется применение усилителей с большим коэффициентом усиления. Явление внутреннего фотоэффекта будет заключаться в том, что в результате поглощения света в полупроводнике могут появляться дополнительные свободные электроны, благодаря чему проводимость вещества значительно увеличится. У нас вы также можете прочесть, какие устройства могут измерить давление.

Фотосопротивление будет состоять из светочувствительного слоя полупроводника, который имеет толщину около 1 мкм. На его поверхности будут располагаться токосъемные электроды. Сам чувствительный элемент будет монтироваться в пластмассовом корпусе так, чтобы электроды обеспечили включение фотосопротивления в схему через специальную панель.

Промышленность на сегодняшний день выпускает разнообразные фотосопротивления, которые будут иметь следующие типовые обозначения: за буквами ФС будут стоять буквы и цифры, которые имеют прямое отношение к составу материала и конструкции. Например, фотосопротивление, кроме букв ФС в своем названии может иметь обозначение А – из сернистого свинца, Б – из сернистого висмута и К – из сернистого кадмия.

Работа фотосопротивления имеет достаточно простой принцип. При освещении электрическое сопротивление падает и ток в электрической цепи будет возрастать. Мерой чувствительности фотосопротивления считается разность токов в темноте и на свету, отнесенная к величине светового потока, который будет попадать на фотосопротивление.

Чувствительность фотосопротивлений будет в несколько раз больше чувствительности фотоэлементов с внешним фотоэффектом.

Основными характеристиками фотосопротивления считается:

Спектральная чувствительность. Характеризует чувствительность фотосопротивления при воздействии на него излучения определенной длины волны.
Световая чувствительность. Характеризует чувствительность фотосовентильных фотоэлементов будет велика, так как система электродов образует значительную емкость.

Теперь вы точно знаете, как работают фотоэлектрические датчики. Надеемся, что эта информация была полезной и интересной.

Источник: gk-rosenergo.ru