Волоконно-оптические датчики: принцип работы, виды, модели

Оптические бесконтактные датчики положения широко применяются для контроля положения и перемещения объектов или частей технологических установок.

Принцип действия оптических датчиков положения основан на измерении степени ослабления оптического луча, прошедшего путь от излучателя до приемника, являющихся частями датчика.

Для повышения помехозащищенности и снижения влияния внешних источников освещения в оптических датчиках положения обычно используется модулированное излучение -луч излучателя датчика пульсирует с частотой от 5 до 30 кГц.

Излучатель датчика состоит из излучающего светодиода и питающего его генератора последовательности импульсов. В датчиках применяют светодиоды, которые испускают импульсы света в спектре от видимого зеленого света до невидимого инфракрасного излучения в зависимости от сферы применения датчика.

Излучатель, кроме того, может иметь регулировки интенсивности излучения и индикатор работы. Приемник состоит из фотодетектора (фотодиода), демодулятора, порогового устройства (триггера) и выходных цепей (PNP или NPN транзистор с открытым коллектором, реле, аналоговый выход NAMUR, IO-link и др.). При необходимости приемник оснащается регулятором чувствительности и индикатором работы.

Волоконно-оптические датчики: принцип работы, виды, модели

Оптические датчики положения относятся к фотоэлектрическим датчикам, так как принцип их действия основан на обнаружении световых сигналов. Когда луч света от датчика достигает объекта контроля возникают такие явления как передача света, отражение и поглощение света.

То, какое явление преобладает в этом случае зависит от взаимного расположения излучателя и приемника, размеров объекта, его материала, толщины, цвета и шероховатости поверхности.

В зависимости от того, на каком оптическом явлении основан принцип обнаружения объектов, оптические датчики положения делятся на три типа:

  • тип T– датчики с приемом прямого луча от излучателя;
  • тип R– рефлекторные датчики с приемом луча, возвращенного от отражателя;
  • тип D– диффузионные датчики с приемом луча, рассеянно отраженного от объекта контроля.

Датчики Т-типа имеют так называемую разнесенную оптику – излучатель и приемник располагаются друг напротив друга на некотором расстоянии.

При прохождении объекта между излучателем и приемником оптический луч прерывается и приемник датчика формирует выходной сигнал, сигнализируя о наличии объекта в зоне контроля.

Датчики данного типа часто называют барьерными или датчиками с пересечения луча. Приемник и излучатель должны быть из одного комплекта от одного производителя.

Волоконно-оптические датчики: принцип работы, виды, модели

Датчики Т-типа удобны для контроля непрозрачных или хорошо отражающих объектов, но могут давать неудовлетворительные результаты при обнаружении прозрачных объектов.

Так как излучатель и приемник в датчиках данного типа конструктивно выполнены в разных корпусах, что позволяет установить максимальный коэффициент усиления, то их можно использовать в условиях высокой загрязненности рабочей среды.

  Максимальное расстояние между излучателем и приемником, так называемая зона срабатывания, может достигать 350 м.

Зона срабатывания оптических датчиков это диапазон допустимых расстояний от датчика до объекта контроля, на которых осуществляется его обнаружение.

Зона срабатывания зависит от взаимного расположения излучателя и приемника, коэффициента усиления, принципов распределения светового луча и диаметра светового пятна, так как приемник датчика срабатывает только при попадании объекта в зону светового пятна.

У оптических датчиков Т-типа отсутствует так называемая «слепая» зона, поэтому зона срабатывания равна расстоянию между излучателем и приемником. Размер эффективного светового луча датчика Т-типа равен диаметру линзы излучателя и приемника. Поэтому минимальный размер объекта контроля должен быть больше диаметра линзы датчика.

В датчиках R-типа приемник и излучатель расположены в одном корпусе. Датчики данного типа для своей работы требуют установки специального рефлектора-отражателя.

У датчиков положения данного типа излучатель и приемник располагаются в одном корпусе и «смотрят» в одну сторону – в сторону установленного точно напротив датчика на определенном расстоянии специального отражателя. Луч от излучателя проходит двойное расстояние: от излучателя до отражателя и в обратную сторону — от отражателя до приемника.

Если на пути луча возникает объект, приемник формирует выходной сигнал. Обратная логика работы датчика может быть реализована путем установки отражателя на объекте, перемещение которого контролируется датчиком. Датчики данного типа еще называют рефлекторными.

Рефлекторы, которые еще называют отражателями, катафотами или мишенями, приобретаются отдельно от датчиков. Рефлекторы могут иметь различную форму и размеры. Диапазон измерений рефлекторных датчиков положения обычно указывается при использовании конкретной модели отражателя.

Волоконно-оптические датчики: принцип работы, виды, модели

Зона срабатывания рефлекторных датчиков (расстояние от линзы излучателя до рефлектора) может достигать 55 м. Размеры контролируемого объекта должны быть больше размеров применяемого рефлектора.

Рефлекторные датчики могут нестабильно работать при обнаружении блестящих объектов, отражающих световой луч датчика от своей поверхности, из-за чего датчик не сможет определить от чего произошло отражение: от рефлектора или объекта.

Для обнаружения хорошо отражающих предметов используют рефлекторные датчики с поляризационными фильтрами и специальными угловыми кубическими рефлекторами, изменяющими плоскость поляризации светового луча на 90°. Поляризационные фильтры размещаются перед линзой излучателя и приемника и пропускают только поляризованный в одной плоскости световой пучок.

Излученный излучателем пучок света поляризуется в вертикальной плоскости. Световой луч, отраженный от рефлектора имеет измененную на 90° плоскость поляризации —  луч становиться горизонтально поляризованным. Поэтому он без проблем проходит через горизонтальный поляризационный фильтр приемника.

Если же луч отражается от блестящего объекта, то его вертикальная поляризация не меняется и он блокируется горизонтальным поляризационным фильтром приемника и датчик обнаруживает этот объект.

При работе с поляризованными рефлекторными датчиками положения не рекомендуется использовать в качестве рефлектора отражающие наклейки – необходимо использовать специальные угловые кубические рефлекторы.

Некоторые модели рефлекторных датчиков способны обнаруживать стеклянные предметы, так как очень чувствительны даже к небольшой разнице между излученным и принятым световым сигналом.

Датчики D-типа по конструкции и принципу действия схожи с датчиками R-типа, но отражателем в данном случае является сам контролируемый объект. Еще одним отличием от датчиков R-типа является то, что при отсутствии объекта оптический тракт оказывается разомкнутым — луч от излучателя попадает в приемник лишь при наличии объекта перед датчиком.

Так как приемник датчика принимает рассеяно отраженный от объекта луч, то интенсивность этого луча сильно зависит от характеристик поверхности объекта и расстояния до объекта. Для разных материалов будут разные нормированные расстояния срабатывания.

Для грубой корректировки расстояний срабатывания в зависимости от материала объекта нужно использовать корректирующие коэффициенты, указанные в руководстве по эксплуатации датчика, например:

  • Матовая белая поверхность — 1,0;
  • Серый ПВХ – 0,57;
  • Белый пластик – 0,7;
  • Черный пластик – 0,22;
  • Матовый алюминий — 1,2;
  • Полированная нержавеющая сталь – 2,3.

При выборе конкретной модели датчика D-типа особое внимание нужно уделить цвету и шероховатости поверхности объектов контроля. Если предполагается контролировать объекты темного цвета с шероховатой поверхностью необходимо выбирать датчики с возможностью регулировки чувствительности.

Волоконно-оптические датчики: принцип работы, виды, модели

Разновидностью датчиков D-типа являются датчики с подавлением переднего фона, заднего фона и переднего и заднего фона одновременно. Датчики с подавлением фона предназначены для обнаружения предметов на строго определенном расстоянии.

Оптические датчики с подавлением фона применяются, например, для обнаружение тонких объектов лежащих на конвейерной ленте, контроля наличия продукции в упаковке, небольшого отклонения уровня или плоскостности поверхности объекта, обнаружения объектов движущихся в несколько рядов – датчики с подавлением фона позволяют «разглядеть» объекты во втором ряду не реагируя на объекты в первом, ближнем к датчику ряду и наоборот. 

Читайте также:  Ошибка Р0504 Гранта: обнаружение, причины, решение

Регулировка расстояния обнаружения в датчиках с подавлением фона осуществляется не путем изменения его чувствительности, а методом оптической триангуляции.

В конструкции датчиков данного типа имеется внутренний датчик положения (PSD – position sensor detector), который определяет угол падения отраженного от объекта луча, а значит расстояние до него.

Благодаря измерению угла отражения датчики D-типа с подавлением фона могут обнаруживать все объекты на заданном расстоянии не зависимо от их цвета. 

Максимальное расстояние срабатывание датчиков D-типа редко превышает 4 м. Вблизи датчика существует некоторая «слепая» зона, размер которой зависит от конструкции датчика. Эффективный пучок света диффузионных датчиков равен размеру объекта контроля.

Диффузионные датчики намного проще монтировать по сравнению с датчиками Т и R-типа так как при этом не требуется совмещения оптических осей излучатели и приемника или датчика и мишени.

По этой же причине датчики D-типа наиболее устойчивое к вибрациям решение из числа оптических датчиков положения.

В сравнении с широко применяемыми в промышленности бесконтактными емкостными, индуктивными и ультразвуковыми датчиками положения, а также механическими концевыми выключателями оптические датчики положения имеют ряд преимуществ:

  • Бесконтактный метод контроля положения и перемещения объекта. Как следствие отсутствует механический износ, дребезг контактов и ложные срабатывания;
  • Зона срабатывания и обнаружения объекта от нескольких миллиметров до нескольких сотен метров в зависимости от типа датчика;
  • Высокая скорость отклика. Датчики положения оптического типа с успехом применяются на конвейерных лентах, где объекты движутся с высокой скоростью и плотностью размещения на ленте. Датчики данного типа могут применятся не только для контроля объектов, но и для счета этих объектов. Частота переключений может достигать 30 кГц;
  • Возможность обнаружения объектов очень малых размеров. Так как оптический луч оптических датчиков положения с помощью системы линз, диафрагм и оптоволоконных кабелей можно сфокусировать в очень тонкий пучок это позволяет контролировать наличие объектов очень небольших размеров;
  • Возможность обнаружения объектов из различных материалов. Если индуктивные и емкостные датчики накладывают определенные ограничения на такие характеристики контролируемого объекта как магнитные свойства и диэлектрическая проницаемость, то оптические датчики, при соответствующей настройке, с успехом обнаруживают объекты практически из любого материала. Оптические датчики положения используются в том числе и для обнаружения тонких и прозрачных объектов, таких как полиэтиленовая пленка. Обычно для этих целей используют датчики с видимым излучением красного цвета;
  • Возможность настройки расстояния срабатывания для выборочного контроля и счета объектов, движущихся перед датчиков в несколько рядов;
  • Наличие таймера срабатывания для подавления случайных оптических помех;
  • Возможность обнаружения объектов с очень высокой температурой, например, литья, поковок, проката и т.п;
  • Нечувствительность к магнитным полям, электростатическим помехам;
  • Нечувствительность к ионизирующему излучению и возможность установки в крайне стесненном пространстве (для оптоволоконных оптических датчиков положения).

К недостаткам оптических датчиков положения можно отнести:

Возможность ложных срабатываний при работе в условиях высокой запыленности, тумана, интенсивной внешней засветки, низких температур, сильной вибрации;

  • Невозможность обнаружения объекта через непрозрачную преграду или стенку резервуара или контейнера;
  • Трудоемкую процедуру совмещения оптических осей излучателя и приемника у датчиков T-типа при их монтаже, особенно если расстояние между ними превышает несколько десятков метров;
  • Необходимость настройки чувствительности датчика у датчиков D-типа, в зависимости от отражающей способности поверхности контролируемых объектов;
  • Постепенная деградация излучателя (светодиода) датчика из-за чего интенсивность его излучения постепенно падает и со временем может потребоваться подстройка чувствительности датчика;
  • Наличие слепых зон у датчиков D и R-типа. Слепой называется зона от активной поверхности оптического датчика до минимального расстояния его срабатывания. В слепой зоне объект не обнаруживается датчиком.

С помощью оптических датчиков положения можно не только контролировать положение объектов и вести их счет на высокой скорости, но и оценивать их геометрические размеры в одном или даже двух измерениях. Такая возможность осуществляется с помощью световых барьеров и световых решеток – множества фотоэлектрических датчиков объединенных в линейки с определенным шагом размещения датчиков в ней.

Благодаря своим высоким потребительским качествам, точности и высокой скорости обнаружения объектов, разнообразным конструктивным исполнениям и относительно невысокой стоимости, оптические датчики нашли широкое применение.

Обилие различных аксессуаров и опций, таких как, подогрев оптики, оптоволоконные удлинительные кабели, поляризационные фильтры, аналоговые, цифровые и дискретные выходные сигналы, лазерный излучатель вместо светодиодного существенно расширяют сферу применения данных датчиков как по условиям эксплуатации так и по возможности их интеграции в существующую систему автоматизированного управления.

При подготовке публикации использованы информационные материалы компании Русавтоматизация.

Волоконно-оптические датчики

Оптическое волокно — нить из оптически прозрачного материала (стекло, пластик), используемая для переноса света внутри себя посредством полного внутреннего отражения.

История появление 
оптических волокон

Важным моментом в развитии оптоэлектроники 
является создание оптических волокон. В Японии об этих волокнах и об их потенциальных возможностях было заявлено в патенте Сэки Нэгиси (1936 г, о стеклянном волноводе) и в патенте Нисидзава Сасаки (1964 г, об оптических линиях с фокусирующими свойствами).

Но особенно интенсивными исследования стали в конце 1960-х годов, а разработка в 1970 г американской фирмой «Корнинг» кварцевого волокна с малым затуханием (20 дБ/км) явилась эпохальным событием и послужила стимулом, для увеличения темпов исследований и разработок на все 1970-е годы.

На рис 1 показано снижение минимальных потерь передачи для различных оптических  волокон на протяжении минувших десяти с лишним лет. Можно заметить, что для кварцевых оптических волокон потери за 10 лет (в 1970-е годы) уменьшились примерно на два порядка. Изначальной и главной целью разработки оптических волокон было обеспечение ими оптических систем связи.

Тем не менее в 1970-е годы, когда в технике оптических волокон применительно к оптическим системам связи были достигнуты уже значительные успехи, влияние волокон на развитие волоконно-оптических датчиков.

Материалы

Стеклянные оптические волокна 
делаются из кварцевого стекла, но для 
дальнего инфракрасного диапазона 
могут использоваться другие материалы, такие как фтороцирконат, фторалюминат и халькогенидные стекла. Как и 
другие стекла, эти имеют показатель преломления около 1,5.

В настоящее время развивается 
применение пластиковых оптических волокон. Сердечник в таком волокне 
изготовляют из полиметилметакрилата (PMMA), а оболочку из фторированных PMMA (фторполимеров).

Одно- и многомодовые оптические волокна

 Оптическое волокно обычно бывает одного из двух типов одномодовое, в котором распространяется только одна мода (тип распределения передаваемого электромагнитного поля), и многомодовое — с передачей множества (около сотни) мод. Конструктивно эти типы волокон различаются только диаметром сердечника — световедущей части, внутри которой коэффициент преломления чуть выше, чем в периферийной части — оболочке.

В технике используются как многомодовые, так и одномодовые оптические волокна.

Многомодовые волокна имеют большой (примерно 50 мкм) диаметр сердечника, что облегчает их соединение друг с другом Но поскольку групповая скорость света для каждой моды различна, то при передаче узкого светового импульса происходит его расширение (увеличение дисперсии).

По сравнению с многомодовыми у одномодовых волокон преимущества и недостатки меняются местами: дисперсия уменьшается, но малый (5..10 мкм) диаметр сердечника значительно затрудняет соединение волокон этого типа и введение в них светового луча лазера.

Читайте также:  Датчик коленвала ВАЗ 2110: расположение, проверка, замена

Вследствие этого одномодовые оптические волокна нашли преимущественное применение в линиях связи, требующих высокой скорости передачи информации (линии верхнего ранга в иерархической структуре линий связи), а многомодовые чаще всего используются в линиях связи со сравнительно невысокой скоростью передачи информации. Имеются так называемые когерентные волоконно-оптические линии связи, где пригодны только одномодовые волокна. Исследования таких линий в Японии начались в 1978 г., и  особенно продвинулись в середине 1980-х годов, причем сравнительно с результатами основных исследовательских организаций по электросвязи во всем мире выглядели более успешными. В многомодовом оптическом волокне когерентность принимаемых световых волн падает, поэтому его использование в когерентных линиях связи непрактично, что и предопределило, применение в подобных линиях только одномодовых оптических волокон.

Напротив, хотя при использовании 
оптических волокон для датчиков вышеуказанные факторы тоже имеют 
место, но во многих случаях их роль уже иная.

В частности, при использовании оптических волокон для когерентных измерений, когда из этих волокон формируется интерферометр, важным преимуществом одномодовых волокон является возможность передачи информации о фазе оптической волны, что неосуществимо с помощью многомодовых волокон.

Следовательно, в данном случае необходимо только одномодовое оптическое волокно, как и в когерентных линиях связи. Тем не менее на практике применение одномодового оптического волокна при измерении нетипично из-за небольшой его дисперсии.

Короче говоря, в сен- сорной оптоэлектронике, за исключением датчиков-интерферометров, используются многомодовые оптические волокна. Это обстоятельство объясняется еще и тем, что в датчиках длина используемых оптических волокон значительно меньше, чем в системах оптической связи.

Преимущества 
волокно-оптических датчиков

    В сравнении 
с другими типами датчиков, волокно-оптические 
датчики обладают следующими 
преимуществами:

    1. Они состоят из электрически непроводящих материалов (не требуют электрических кабелей), что позволяет использовать их, например, в местах с высоким напряжением.
    2. Их можно безопасно использовать во взрывоопасной среде, потому, что нет риска возникновения электрической искры, даже в случае поломки.
    3. Они не подвержены электромагнитным помехам (EMI), даже вблизи разряда молнии, и сами по себе не электризуют другие устройства.
    4. Их материалы могут быть химически инертны, то есть не загрязняют окружающую среду, и не подвержены коррозии.
    5. Они имеют очень широкий диапазон рабочих температур (гораздо больше, чем у электронных устройств).
    6. Они имеют возможность мультиплексирования; несколько датчиков в одиночной волоконной линии может быть интегрировано с одним оптическим источником.

Классификация волоконно-оптических датчиков и примеры их применения

Оптоволоконные 
датчики, исходя из принципа кодирования 
измеряемой информации, можно условно разделить на следующие большие группы:

    1. фазовые – датчики, в которых используется высококо герентный источник излучения и производится измерение фазы световой волны, изменяющейся под влиянием внешнего параметра;
    2. со спектральным кодированием – датчики, где, в отличие от чисто фазовых, используется источник излучения с широким спектром с возможностью анализа всего спектра;
    3. амплитудные – датчики, в которых измеряемый параметр модулирует интенсивность проходящей или отраженной световой волны;
    4. туннельные – датчики, где используется эффект туннелирования излучения через малый зазор.
    5. поляризационные – датчики, использующие информацию о поляризации световой волны;

Стоит отметить, что 
это не единственный способ классификации оптоволоконных датчиков. Можно провести классификацию по принципу действия:

    1. интерференционные (Майкельсона, Фабри-Перо, Маха-Цандера и т.д.)
    2. распределенные (обратное и прямое рассеяние)
    3. люминесцентные
    4. на внутриволоконных решетках
    5. комбинированные.

Также можно классифицировать датчики по локализации измеряемого параметра:

    1. точечные
    2. распределенные
    3. квазираспределенные

Типы 
волоконно-оптических датчиков:

а) точечный; б) распределенный; в) квазираспределенный

Современные волоконно-оптические датчики позволяют измерять почти все.

Например, давление, температуру, расстояние, положение в пространстве, скорость вращения, скорость линейного перемещения, ускорение, колебания, массу, звуковые волны, уровень жидкости, деформацию, коэффициент преломления, электрическое поле, электрический ток, магнитное поле, концентрацию газа, дозу радиационного излучения и т. д. Малый размер и фактическое отсутствие необходимости в электрической энергии, даёт волоконно-оптическим датчикам преимущество перед традиционными электрическими в определённых областях.

Оптическое волокно используется в гидрофонах в сейсмических или 
гидролокационных приборах. Созданы 
системы с гидрофонами, в которых 
на волоконный кабель приходится более 100 датчиков.

Системы с гидрофоновым датчиком используются в нефтедобывающей промышленности, а также флотом некоторых стран.

Немецкая компания Sennheiser разработала лазерный микроскоп, работающий с лазером и оптическим волокном.

Волоконно-оптические датчики, измеряющие температуры и давления, разработаны для измерений в 
нефтяных скважинах. Они хорошо подходят для такой среды, работая при 
температурах, слишком высоких для 
полупроводниковых датчиков.

Разработаны устройства дуговой 
защиты с волоконно-оптическими 
датчиками, основными преимуществами которых перед традиционными 
устройствами дуговой защиты являются: высокое быстродействие, нечувствительность к электромагнитным помехам, гибкость и лёгкость монтажа, диэлектрические 
свойства.

Оптическое волокно применяется 
в лазерном гироскопе, используемом в Boeing 767 и в некоторых моделях 
машин (для навигации). Специальные 
оптические волокна используются в 
интерферометрических датчиках магнитного поля и электрического тока. Это 
волокна, полученные при вращении заготовки с сильным встроенным двойным лучепреломлением.

Другие применения оптического волокна

Оптические волокна широко используются для освещения. Они 
используются как световоды в 
медицинских и других целях, где 
яркий свет необходимо доставить 
в труднодоступную зону.

В некоторых 
зданиях оптические волокна направляют солнечный свет с крыши в какую-нибудь часть здания.

Волоконно-оптическое освещение также используется в 
декоративных целях, включая коммерческую рекламу, искусство и искусственные 
рождественские ёлки.

Оптическое волокно также 
используется для формирования изображения. Пучок света, передаваемый оптическим волокном, иногда используется совместно 
с линзами — например, в эндоскопе, который используется для просмотра 
объектов через маленькое отверстие.

Один из способов механической шифровки изображения заключается 
в следующем: большое количество оптических волокон, оба конца которых 
расположены упорядоченно, тщательно 
переплетают в середине, а затем 
разрезают пополам.

Одна половина получившейся конструкции используется для шифровки изображения, а другая — для дешифровки: изображение, пройдя через переплетённые 
световоды, превращается в бессмысленный 
набор точек разного цвета, но после прохода через вторую половину этот набор точек восстанавливается до оригинала.

Преимущество этого метода заключается в простоте изготовления шифрующего механизма и в невозможности расшифровать передаваемое изображение без шифратора или дешифратора (шифратор и дешифратор в такой системе абсолютно взаимозаменяемы).

Недостаток заключается в значительной потере качества изображения, зависящей от толщины используемых световодов, и в необходимости очень точно позиционировать зашифрованное изображение перед дешифратором — малейший перекос будет препятствовать расшифровке.

Оптическое волокно используется при конструировании волоконного 
лазера.

Список литературы

    1. Листвин А. В., Листвин В. Н., Швырков Д. В. Оптические волокна для линий связи.
    2. Окоси Т., Окамото К., Оцу М., Нисихара X., Кюма К., Хататэ К.; Под ред. Око Т.. Волоконно-оптические датчики.
    3. Статья: «Волоконно оптические датчики и системы. Авторы: А. Н. Соколов, В. А. Яцеев.

Аннатация

В статье рассмотрены основные типы волоконно-оптических датчиков, проведена их сравнительная характеристика, а так же история появления оптического волокна. Преимущества и примеры применения волоконно-оптических датчиков.

  • (на английском 
    языке будет чуть позже если 
    статья подходит)
  • Ключевые слова
  • Датчик, оптическое волокно.

Оптические датчики — это… Что такое Оптические датчики?

Оптические датчики — небольшие по размерам электронные устройства, способные под воздействием электромагнитного излучения в видимом, инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах подавать единичный или совокупность сигналов на вход регистрирующей или управляющей системы. Оптические датчики реагируют на непрозрачные и полупрозрачные предметы, водяной пар, дым, аэрозоли.

Оптические датчики являются разновидностью бесконтактных датчиков, так как механический контакт между чувствительной областью датчика (сенсором) и воздействующим объектом отсутствует. Данное свойство оптических датчиков обуславливает их широкое применение в автоматических системах управления. Дальность действия оптических датчиков намного больше, чем у других типов бесконтактных датчиков.

Оптические датчики называют ещё оптическими бесконтактными выключателями, фотодатчиками, фотоэлектрическими датчиками.

Строение оптических датчиков

излучатель оптического датчика

Излучатель датчика состоит из:

  • Корпус
  • Излучатель
  • Подстроечный элемент
  • Генератор
  • Индикатор

приёмник оптического датчика

Читайте также:  Датчик расстояния, дальномер: лазерный и другие виды датчиков измерения расстояния

Приёмник датчика состоит из:

  • Корпус
  • Фотодиод
  • Подстроечный элемент
  • Электронный ключ
  • Триггер
  • Демодулятор
  • Индикатор

Типы устройства и принцип действия оптических датчиков

По типу устройства оптические датчики делятся на моноблочные и двухблочные. В моноблочных излучатель и приёмник находятся в одном корпусе. У двухблочных датчиков источник излучения и приёмник оптического сигнала расположены в отдельных корпусах.

По принципу работы выделяют три группы оптических датчиков:

тип T — датчики барьерного типа (приём луча от отдельно стоящего излучателя)
тип R — датчики рефлекторного типа (приём луча, отражённого катафотом)
тип D — датчики диффузионного типа (приём луча, рассеянно отражённого объектом)

У датчиков барьерного типа излучатель и приёмник находятся в отдельных корпусах, которые устанавливаются друг напротив друга на одной оси. Дальность разнесения корпусов может достигать 100 метров. Предмет, попавший в активную зону оптического датчика, прерывает прохождение луча. Изменение фиксируется приёмником, появившийся сигнал после обработки подаётся на управляемое устройство.

Датчики рефлекторного типа содержат в одном корпусе и передатчик оптического сигнала, и его приёмник . Для отражения луча используется рефлектор (катафот).

Датчики такого типа активно используются на конвейере для подсчёта количества продукции. Для обнаружения объектов с зеркальной, отражающей металлической поверхностью в датчиках рефлекторного типа используют поляризационный фильтр.

Дальность действия датчиков рефлекторного типа может достигать 8 метров.

В датчиках диффузионного отражения источник оптического сигнала и его приёмник находятся в одном корпусе. Приёмник учитывает интенсивность луча, отражённого контролируемым объектом.

Для точности срабатывания в датчиках данного типа может включаться функция подавления фона.

Дальность действия зависит от отражательных свойств объекта, может быть определена с помощью поправочного коэффициента, и при использовании стандартной мишени может достигать 2 метров.

Оптические датчики имеют индикатор рабочего состояния и, как правило, регулятор чувствительности, который даёт возможность настроить срабатывание на объект, находящийся на неблагоприятном фоне.

Источником излучения в современных оптических датчиках являются светодиоды.

Схема подключения оптических датчиков

На выходе оптического датчика стоит транзистор PNP- или NPN-типа с открытым коллектором. Нагрузка подключается между выходом и, в зависимости от типа транзистора, общим минусовым или плюсовым проводом. Если в исходном состоянии нагрузка подключена, то выполняется функция размыкающего контакта и наоборот.

Сфера применения

Оптические датчики как составная часть автоматизированных систем управления широко применяются для определения наличия и количества предметов, присутствия на их поверхности наклеек, надписей, этикеток или меток, позиционирования и сортировки предметов. С помощью оптических датчиков можно контролировать расстояние, габариты, уровень, цвет и степень прозрачности. Их устанавливают в системы автоматического управления освещением, приборы дистанционного управления, используют в охранных системах.

См. также

Примечания

Литература

  • Виглеб Г. Датчики. Устройство и применение. Москва. Издательство «Мир», 1989
  • Катыс Г. П. Библиотека по автоматике, вып. 6. Оптические датчики температуры. «Госэнергоиздат», 1959
  • Окоси Т. Волоконно-оптические датчики, 1990

Ссылки

Классификация волоконно-оптических датчиков и примеры их применения

Современные волоконно-оптические
датчики позволяют измерять почти все.

Например, давление, температуру,
расстояние, положение в пространстве,
скорость вращения, скорость линейного
перемещения, ускорение, колебания,
массу, звуковые волны, уровень жидкости,
деформацию, коэффициент преломления,
электрическое поле, электрический ток,
магнитное поле, концентрацию газа, дозу
радиационного излучения и т.д.

Если классифицировать волоконно-оптические
датчики с точки зрения применения в них
оптического волокна, то, как уже было
отмечено выше, их можно грубо разделить
на датчики, в которых оптическое волокно
используется в качестве линии передачи,
и датчики, в которых оно используется
в качестве чувствительного элемента.
Как видно из таблицы 1, в датчиках типа
«линии передачи» используются в
основном многомодовые оптические
волокна, а в датчиках сенсорного типа
чаще всего — одномодовые.

Таблица 1. Характеристики волоконно-оптических
датчиков

Структура Измеряемая физическая величина Используемое физическое явление, свойство Детектируемая величина Оптическое волокно Параметры и особенности измерений
Датчики с оптическим волокном в качестве линии передачи
Проходящего типа Электрическое напряжение, напряженность электрического поля Эффект Поккельса Составляющая поляризация Многомодовое 1… 1000B; 0,1…1000 В/см
Проходящего типа Сила электрического тока, напряженность магнитного поля Эффект Фарадея Угол поляризации Многомодовое Точность 1% при 20…85С
Проходящего типа Температура Изменение поглощения полупроводников Интенсивность пропускаемого света Многомодовое -10…+300С (точность1С)
Проходящего типа Температура Изменение постоянной люминесценции Интенсивность пропускаемого света Многомодовое 0…70С (точность0,04С)
Проходящего типа Температура Прерывание оптического пути Интенсивность пропускаемого света Многомодовое Режим «вкл/выкл»
Проходящего типа Гидроакустическое давление Полное отражение Интенсивность пропускаемого света Многомодовое Чувствительность … 10 мПа
Проходящего типа Ускорение Фотоупругость Интенсивность пропускаемого света Многомодовое Чувствительность около 1 мg
Проходящего типа Концентрация газа Поглощение Интенсивность пропускаемого света Многомодовое Дистанционное наблюдение на расстоянии до 20 км
Отражательного типа Звуковое давление в атмосфере Многокомпонентная интерференция Интенсивность отраженного света Многомодовое Чувствительность, характерная для конденсаторного микрофона
Отражательного типа Концентрация кислорода в крови Изменение спектральной характеристики Интенсивность отраженного света Пучковое Доступ через катетер
Отражательного типа Интенсивность СВЧ-излучения Изменение коэффициента отражения жидкого кристалла Интенсивность отраженного света Пучковое Неразрушающий контроль
Антенного типа Параметры высоковольтных импульсов Излучение световода Интенсивность пропускаемого света Многомодовое Длительность фронта до 10 нс
Антенного типа Температура Инфракрасное излучение Интенсивность пропускаемого света Инфракрасное 250…1200С (точность1%)
Датчики с оптическим волокном в качестве чувствительного элемента
Кольцевой интерферометр Скорость вращения Эффект Саньяка Фаза световой волны Одномодовое >0,02 /ч
Кольцевой интерферометр Сила электрического тока Эффект Фарадея Фаза световой волны Одномодовое Волокно с сохранением поляризации
Интерферометр Маха-Цендера Гидроакустическое давление Фотоупругость Фаза световой волны Одномодовое 1…100 радатм/м
Интерферометр Маха-Цендера Сила электрического тока, напряженность магнитного поля Магнитострикция Фаза световой волны Одномодовое Чувствительность 10-9А/м
Интерферометр Маха-Цендера Сила электрического тока Эффект Джоуля Фаза световой волны Одномодовое Чувствительность 10 мкА
Интерферометр Маха-Цендера Ускорение Механическое сжатие и растяжение Фаза световой волны Одномодовое 1000 рад/g
Интерферометр Фабри-Перо Гидроакустическое давление Фотоупругость Фаза световой волны (полиинтер­ференция) Одномодовое
Интерферометр Фабри-Перо Температура Тепловое сжатие и расширение Фаза световой волны (полиинтер­ференция) Одномодовое Высокая чувствительность
Интерферометр Фабри-Перо Спектр излучения Волновая фильтрация Интенсивность пропускаемого света Одномодовое Высокая разрешающая способность
Интерферометр Майкельсона Пульс, скорость потока крови Эффект Доплера Частота биений Одномодовое, многомодовое 10-4…108м/с
Интерферометр на основе мод с ортогональной поляризацией Гидроакустическое давление Фотоупругость Фаза световой волны С сохранением поляризации Без опорного оптического волокна
Интерферометр на основе мод с ортогональной поляризацией Напряженность магнитного поля Магнитострикция Фаза световой волны С сохранением поляризации Без опорного оптического волокна
Неинтерферометрическая Гидроакустическое давление Потери на микроизгибах волокна Интенсивность пропускаемого света Многомодовое Чувствительность 100 мПа
Неинтерферометрическая Сила электрического тока, напряженность магнитного поля Эффект Фарадея Угол поляризации Одномодовое Необходимо учитывать ортогональные моды
Неинтерферометрическая Скорость потока Колебания волокна Соотношение интенсивности между двумя модами Одномодовое, многомодовое >0,3 м/с
Неинтерферометрическая Доза радиоактивного излучения Формирование центра окрашивания Интенсивность пропускаемого света Многомодовое 0,01…1,00 Мрад
Последовательного и параллельного типа Распределение температуры и деформации Обратное рассеяние Релея Интенсивность обратного рассеяния Релея Многомодовое Разрешающая способность 1 м
Рис. 5. Волоконно-опти­ческий датчик проходящего типа. Рис. 7. Волоконно-оптический датчик антенного типа.
Рис. 6. Волоконно-оптический датчик отражательного типа.

Оставьте комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *