Оптические датчики (бесконтактные выключатели). Устройство и принцип работы

Оптический бесконтактный выключатель представляет собой электронное устройство, реагирующее на изменение принимаемого светового потока. Оптические бесконтактные выключатели используются для определения наличия (отсутствия) объекта в заданном пространстве, поскольку наличие (отсутствие) объекта приводит к изменению параметров светового потока, принимаемого выключателем. Для повышения эффективности работы оптических бесконтактных выключателей и улучшения их характеристик производится модуляция и пространственная селекция светового излучения.
Эти меры позволяют устранять влияние посторонних световых засветок и помехи от других оптических выключателей.

Принцип работы оптических бесконтактных выключателей

Оптические бесконтактные выключатели состоят из 2-х функционально законченных узлов - источника оптического излучения и приемника этого излучения. Источник оптического излучения (передатчик) и приемник могут быть в одном корпусе или в разных корпусах.

Передатчик

• Генератор вырабатывает последовательность электрических импульсов на излучатель оптического бесконтактного выключателя.

• Излучатель - светодиод, создающий излучение оптического диапазона.

• Индикатор показывает наличие напряжения питания на передатчике оптического бесконтактного выключателя.

• Оптическая система формирует диаграмму направленности излучения и при необходимости его поляризацию.

• Компаунд обеспечивает необходимую степень защиты от проникновения твердых частиц и воды. Корпус обеспечивает монтаж выключателя, защищает от механических воздействий. Выполняется из латуни или полиамида, комплектуется метизными изделиями.

Приемник излучения

• Оптическая система формирует диаграмму направленности приемника излучения и при необходимости производит поляризационную селекцию.

• Фотоприемник воспринимает оптическое излучение и преобразует его в электрический сигнал.

• Усилитель усиливает входной сигнал до необходимого значения.

• Пороговый элемент обеспечивает необходимую крутизну фронта выходного сигнала и величину гистерезиса.

• Электронный ключ обеспечивает коммутацию выходного тока выключателя, определяет схему подключения нагрузки, имеет защиту от перегрузки и короткого замыкания.

• Светодиодный цветной индикатор показывает состояние выключателя, позволяет определить функциональный резерв по выбранному объекту, обеспечивает контроль работоспособности, оперативность настройки.

• Регулятор чувствительности позволяет производить настройку выключателя по фактической контрастности объекта на фоне окружающих предметов.

Функциональный резерв определяется как отношение светового потока, полученного приемником, к минимальному световому потоку, вызывающему срабатывание выключателя. Функциональный резерв позволяет компенсировать ослабление сигнала в результате загрязнения оптики и наличия аэрозольных компонентов в окружающем пространстве.

Цветной светодиодный индикатор работает следующим образом:

• при отсутствии сигнала на входе приемника индикатор не светится

• при появлении сигнала с уровнем, при котором происходит срабатывание выключателя, индикатор светится зеленым цветом

• при дальнейшем увеличении уровня сигнала зеленый цвет плавно изменяется через желтый - оранжевый до красного

Контрастность объекта определяется его собственным коэффициентом отражения и величиной отраженного света от окружающего фона.

Принцип работы оптических бесконтактных выключателей на прямом луче

Оптические выключатели, работающие на прямом луче, состоят из приемника и передатчика, выполненных в отдельных корпусах. При эксплуатации они располагаются соосно дуг против друга. Поток излучения от излучателя передатчика направлен на приемник. Срабатывание происходит при прерывании луча объектом. Выключатели, использующие принцип прерывания луча, отличаются большой дальностью действия - до нескольких десятков метров и большой помехозащищенностью от воздействия посторонних факторов (пыль, капли воды и других жидкостей)

.

Основными недостатками таких выключателей является наличие двух отдельных изделий, что не всегда удобно при их монтаже и прокладке проводов питания к ним.

Необходимо иметь в виду, что:

посторонние предметы с высоким коэффициентом отражения, подобные рефлектору, находящиеся в области перекрытия диаграмм направленностей приемника и передатчика, могут вызвать ложное срабатывание;

прозрачные и полупрозрачные объекты недостаточно ослабят луч до порога срабатывания.

Для уменьшения или полного устранения вышеперечисленных эффектов оптические выключатели снабжены регуляторами чувствительности.
Диаметр прямого луча определяет минимальный размер регистрируемого объекта.

Принцип работы оптических бесконтактных выключателей на отраженном луче

В оптических выключателях, использующих эффект диффузного и зеркального отражения потока излучения от объекта, приемник и излучатель выполнены в одном корпусе. Поток излучения от передатчика попадает на поверхность объекта, от которого происходит его отражение в различных направлениях. Распределение отраженного потока определяется оптическими свойствами объекта. Часть потока возвращается обратно в приемник, вызывая его срабатывание.
Преимущество данного вида выключателей заключается в простоте применения, при котором не требуется никаких дополнительных приборов.
При использовании выключателей данного типа необходимо учитывать возможность появления ложных срабатываний в случае появления за контролируемым объектом предметов с гораздо большей отражательной способностью. В этих случаях следует применять диффузные оптические выключатели с подавлением фона.
Поскольку различные материалы отражают падающий на них поток излучения по-разному, то для нормирования расстояния срабатывания указывается стандартный объект воздействия, например, лист белой бумаги с размерами 100x100мм.
Для пересчета расстояния срабатывания для объектов из других материалов, имеющих другую отражающую способность, следует выбрать тип материала из приведенной ниже таблицы (табл.1). Затем следует выбрать соответствующий этому материалу поправочный коэффициент, который покажет в какую сторону и насколько отличается расстояние срабатывания по сравнению с расстоянием срабатывания на стандартный объект.
Например, оптический выключатель в обозначении имеет значение расстояния срабатывания 100мм. Это значит, что если потребитель будет использовать данный выключатель для контроля объекта из холоднокатаной стали, то расстояние срабатывания изменится в 1,5 раза и составит 150мм. Аналогично, расстояние срабатывания на объект из белой бумаги составит около 120мм.
Минимальный размер регистрируемого объекта определяется его отражающей способностью, контрастностью и функциональным резервом.

Таблица 1

Принцип работы оптических бесконтактных выключателей на отраженном от рефлектора луче

Излучение светодиода имеет круговую поляризацию, т.е. представляет собой совокупность множества плоскополяризованных пространственных световых колебаний (волн) с различными плоскостями поляризации.
Если на пути луча установить оптический поляризационный фильтр, то через него пройдут только те волны, плоскость поляризации которых совпадает с плоскостью поляризации фильтра. Таким образом, поляризационный фильтр формирует луч с плоской поляризацией.
При отражении поляризованного луча от различных предметов плоскости поляризации падающего и отраженного луча, как правило, совпадают.
Плоскость поляризации изменяется на 90град. при отражении от специальных световозвращателей (уголковых отражателей или рефлекторов).
Если на пути поляризованного луча расположить еще один поляризационный фильтр с плоскостью поляризации, развернутой на 90град. по отношению к первому, то луч через него не пройдет. Таким образом, данный фильтр будет для него барьером.

Существуют световозвращатели -"рефлекторы", которые поворачивают плоскость поляризации на 90град. Они выполнены в виде самоклеящейся пленки или в виде отдельного устройства для монтажа на объектах.
Если такой рефлектор поместить на пути поляризованного луча, то луч, отразившись от него, изменит плоскость поляризации и свободно пройдет через входной поляризационный фильтр фотоприемника, повернутый на 90град. по отношению к поляризационному фильтру излучателя.
Работая с поляризованным излучением, выключатель воспринимает только поток от световозвращателя, который поворачивает плоскость поляризации на 90град. Все предметы, появляющиеся между выключателем и световозвращателем, вызывают прерывание поляризованного луча и срабатывание выключателя.

Поляризационные фильтры встроены вовнутрь датчика, поэтому по внешнему виду такие выключатели ничем не отличаются от выключателей, использующих принцип отражения луча от объекта. Эти выключатели по помехозащищенности от воздействия посторонних факторов приближаются к выключателям, использующим прерывание луча.

Принцип работы оптоволоконного выключателя

Выключатели с оптоволоконным кабелем способны обнаруживать объекты в самых труднодоступных местах.
Выключатели с оптоволоконным кабелем могут работать и на отраженном луче (тип D) и на прямом луче (тип T).