Что значит оптико фото электрическое

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.

Виды устройств

Можно встретить фотоэлектрические датчики аналогового или дискретного вида.

Группы устройств

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

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.

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

Источник

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.

Источник

Тема: Фото- и оптоэлектронные приборы.

Оптоэлектроникой называют научно-техническое направление, в котором для передачи, обработки и хранения информации используются электрические и оптические средства и методы. В оптоэлектронике световой луч выполняет те же функции управления, преобразования и связи, что и электрический сигнал в электрических цепях.

К недостаткам оптоэлектронных компонентов относятся: низкая температурная и временная стабильность характеристик; сравнительно большая потребляемая мощность; сложность изготовления универсальных устройств для обработки информации; меньшие функциональные возможности по сравнению с ИМС, необходимость жестких требований к технологии изготовления.

Входной сигнал в виде импульса или перепада входного тока возбуждает фотоизлучатель и вызывает световое излучение. Световой сигнал по световоду попадает в фотоприемник, на выходе которого образуется электрический импульс или перепад выходного тока.

Основными характеристиками фоторезистора являются:

S_ф=

и токовую чувствительность к освещенности Е

S_Е=

В качестве одного из основных параметров фоторезистора используют величину удельной интегральной чувствительности, которая характеризует интегральную чувствительность, когда к фоторезистору приложено напряжение 1В.

S_{Ф инт.уд}=

У промышленных фоторезисторов удельная интегральная чувствительность имеет пределы десятые, сотые доли при освещенности Е=200 лк.

Важными характеристиками фоторезистора являются также: спектральная характеристика; граничная частота сигнала, модулирующая световой поток; температурный коэффициент фототока и пороговый поток.

На границе перехода неосновные носители заряда под влиянием электрического поля, перебрасываются через переход в область, где они являются основными носителями. Электрический ток, созданный ими есть полный фототок. Если р-n-переход разомкнут, то перенос носителей заряда, генерируемых светом, приводит к накоплению отрицательного в n-области и положительного в р-области зарядов. Новое равновесное состояние соответствует меньшей высоте потенциального барьера, равной (U_к—Е_ф). ЭДС Е_ф, возникающую при этих процессах, на значение которой снижается потенциальный барьер Uк в р-n-переходе, называют фотоэлектродвижущей силой (фото-ЭДС) В данной ситуации фотодиод работает в режиме фотогенератора, преобразуя световую энергию в

электрическую.

К основным характеристикам фотодиода относят:

2. Абсолютные и относительные спектральные характеристики – это зависимости абсолютной либо относительной чувствительности от длины волны регистрируемого потока излучения. Они аналогичны соответствующим характеристикам фоторезистора и зависят от материала полупроводника и введенных примесей.

В качестве фотоприемников в оптронных устройствах также используются фототиристоры и фототранзисторы.

У фототранзисторов интегральная чувствительность значительно выше, чем у диода и составляет сотни миллиампер на люмен.

Биполярный фототранзистор представляет собой обычный транзистор, но в корпусе его сделано прозрачное окно, через которое световой поток воздействует на область базы, вызывая в ней генерацию носителей зарядов. Они диффундируют к коллекторному переходу, где происходит их разделение. Дырки под воздействием поля коллектора идут из базы в коллектор и увеличивают ток коллектора, а электроны, оставаясь в базе, повышают прямое напряжение эмиттерного перехода, что усиливает инжекцию дырок в этом переходе. Если базовый вывод транзистора не подключается к схеме, то такое включение называют с “плавающей” базой. В этом случае режим работы транзистора будет сильно зависеть от температуры. Вывод базы используют для задания оптимального режима работы фототранзистора, при котором достигается максимальная чувствительность к световому потоку.

Фототиристоры имеют четырехслойную структуру (рис.3.8,а) и управляются световым потоком, подобно тому, как триодные тиристоры управляются током, подаваемым в цепь управляющего электрода. При действии света на область базы р₁ в этой области генерируются электроны и дырки.

Электроны, попадая в область перехода П2, находящегося под обратным напряжением, уменьшают его сопротивление. В результате происходит увеличение инжекции носителей из переходов П1 и П3. Ток через структуру прибора лавинообразно нарастает, т.е. тиристор отпирается. Чем больше световой поток, действующий на тиристор, тем при меньшем напряжении включается тиристор (рис.3.8,б).

Фототиристоры могут успешно применяться в различных автоматических устройствах в качестве бесконтактных ключей для включения значительных напряжений и мощностей. Важные достоинства тиристоров: малое потребление мощности во включенном состоянии, малые габариты, отсутствие искрения, малое время включения.

1. Перечислите достоинства и недостатки оптоэлектронных приборов.

2.Назовите основные характеристики фоторезисторов.

3. Почему световые характеристики фоторезисторов нелинейны?

4. Что такое удельная чувствительность фоторезистора?

5. Назовите возможные режимы работы фотодиодов.

6. Опишите механизм образования фото-ЭДС при освещении светом р-n-перехода.

7. Перечислите основные параметры фотодиода.

Источник