Статья по выбору фотоэлектрических датчиков

 

 

 

 

Выбор фотоэлектрического датчика.
Оптическая схема обычных фотоэлектрических датчиков имеет три основных разновидности: это работа на просвет, на обратное отражение и на рассеянное отражение. Если вы представляете, как работает та или иная разновидность фотоэлектрических датчиков, то сможете выбрать правильный сенсор для своих применений.

Работа на просвет. В этом типе датчиков приемник и излучатель расположены напротив друг друга таким образом, что световой поток из излучателя попадает непосредственно в приемник. Положение объекта определяется, когда он перекрывает луч от излучателя в приемник. Настройка взаимного расположения датчиков заключается в том, что бы максимальное количество света, от излучателя попадало бы в приемник. Это означает, что при расположении приемника и излучателя друг напротив друга свет от последнего попадал бы в центр поля зрения приемника. В ранних моделях, когда датчики использовали немодулированное излучение, требование по настройке взаимного расположения пары излучатель – приемник сослужило этому виду датчиков плохую службу. Однако сегодня, имея интенсивные и модулированные излучатели, проводить настройку датчиков, работающих на просвет, становится совсем несложным делом.
Под рабочим диапазоном датчика этого типа подразумевается максимальное расстояние между излучателем и приемником при котором может происходить работа датчика. Эффективный луч датчика, это часть полного луча, излучаемого излучателем, которая необходима для надежного срабатывания, когда объект перекрывает луч. Эффективный луч датчиков, работающих на просвет, это цилиндр, соединяющий линзы излучателя и приемника. Это может быть так же конус, если линзы излучателя и приемника имеют разный диаметр. Эффективный луч не может выходить за пределы диаграммы направленности излучателя и поля зрения приемника.
Эффективный луч стандартных фотоэлектрических датчиков слишком большой, что бы обнаруживать малые объекты, проверять малые профили и позиционировать объекты с высокой точностью. В таких случаях линзы датчика могут быть частично перекрыты маской для уменьшения эффективного размера луча. Некоторые модели фотоэлектрических датчиков, работающих на просвет, имеют специальные адаптеры для этого. Такой адаптер может быть изготовлен если просверлить или вырезать отверстие или щель в тонкой металлической пластине и расположить ее напротив центра линз При выборе адаптера стоит помнить, что современные фотоэлектрические датчики имеют интенсивное модулированное излучение, которое может проникать через множество неметаллических материалов под различными углами.
Однако использование маски снижает энергию луча датчика пропорционально снижению площади линз, которые перекрывает датчик. К примеру, если диаметр линзы 1 см., а маска уменьшает этот размер до ? см., то доля световой энергии, проходящей через маску, составляет (?) 2 = 1/16 от энергии, приходившей на линзу диаметром 1 см. Потери энергии увеличиваются в два раза, если маска установлена как на излучателе, так и на приемнике.
Прямоугольные щелевые маски в меньшей степени снижают световую энергию от датчика, чем круглые маски того же диаметра. Поэтому по возможности стоит применять именно прямоугольные маски. Прямоугольные маски применяются когда объект проходит через луч в определенном положении, например в задаче определения края объекта. Однако, когда небольшой объект проходит через луч датчика в произвольном положении, применяется круглая маска.
Если объект, положение которого необходимо определить всегда проходит близко к приемнику или к излучателю, то маску можно поставить только на один из них. В этом случае эффективный луч датчика приобретает форму конуса. Однако возможно совместить необходимость иметь большую площадь линзы датчика и малый размер эффективного луча для определения положения самых малых объектов. Наиболее простым путем такого совмещения является использование волоконной оптики в фотоэлектрических датчиках, работающих на просвет. Модулированные светодиоды высокой мощности, используемые в некоторых фотоэлектрических датчиках, могут создавать флуктуации световой энергии вокруг объекта равные или несколько большие, чем эффективный луч. Это еще один повод для того, что бы проверить, что размер эффективного луча датчика меньше размеров объекта. Использование лазерных диодов в излучателях датчиков, работающих на просвет, другая альтернатива применению щелевых масок. Лазерные датчики сами по себе имеют узкий луч во всем рабочем диапазоне. Они применяются для позиционирования малых объектов и для прецизионного определения положения объектов.

Фотоэлектрические датчики, срабатывающие на обратное отражение. Фотоэлектрические датчики срабатывающие на обратное отражение содержат в одном корпусе схему излучателя и приемника. Световой луч распространяется от излучателя, до обратного отражателя затем и попадает в приемник. Так же как и в фотоэлектрических датчиках, работающих на просвет, объект обнаруживается, когда он пересекает световой луч. Диапазоном расстояний у этого типа датчиков считается расстояние от датчика до отражателя. Эффективным лучом в датчиках, срабатывающих на обратное отражение, является конус формой совпадающей с фигурой, соединяющей линзы датчика и отражатель. Отраженный луч обычно не сфокусированный и поэтому датчики, срабатывающие на обратное отражение, обычно применяют для обнаружения достаточно больших объектов. Вместе с тем, когда требуется малый эффективный размер луча, то так же как и в датчиках, работающих на просвет, используются лазерные диоды в качестве источников света.
Большинство обратных отражателей сделано из множества маленьких призм, образованных углом куба и каждая из этих призм имеет три взаимно перпендикулярных отражающих поверхности. Когда световой луч падает на призму, три отражающие поверхности отражают луч в обратном направлении параллельно падающему лучу и отраженный луч поступает в приемник. Иными словами, обратный отражатель отражает луч в том направлении, откуда он пришел. В основном, обратные отражатели сделаны из литого пластика и производятся различных размеров, форм и цветов. Подобные отражатели используются на дорогах и в качестве катафотов на транспортных средствах. Такие катафоты ярко светятся для водителя, когда свет передних фар машины попадает на них и отражается в обратном направлении кубическими призмами. Предупредительные знаки на дорогах так же часто покрывают обратно отражающей пленкой, которая содержит литые микроскопические кубические призмы или стеклянные шарики. Прозрачная сфера из стекла так же отражает падающий на нее луч в обратном направлении, но отражающее покрытие их шариков менее эффективно, чем из кубических призм.
Зеркальные поверхности так же могут использоваться в качестве отражателей для датчиков. Однако луч от зеркальной поверхности отражается под тем же углом, что и падающий луч, но в противоположном, относительно нормали к поверхности зеркала, направлении. Для того, что бы луч попал обратно на датчик, необходимо, что бы зеркало было расположено строго перпендикулярно лучу. С другой стороны, обратный отражатель посылает луч обратно в датчик, даже если расположен под углом примерно 20 градусов от перпендикуляра. Это свойство делает настройку таких отражателей быстрой и легкой.
Хороший отражатель возвращает в датчик примерно в 3000 раз больше света, чем лист белой бумаги. Вот почему фотоэлектрические датчики этого типа срабатывают только тогда, когда предмет перекрывает луч, отраженный от отражателя. Однако, если объект имеет зеркальную либо блестящую поверхность, то он может пройти через луч датчика и не быть обнаруженным. Вы можете решить эту проблему относительно простыми средствами. Если блестящий объект имеет плоские стороны и проходит через луч фотоэлектрического датчика в определенном положении, то может произойти ситуация, когда блестящая поверхность объекта отразит падающий луч обратно в приемник фотоэлектрического датчика. Вероятность ложных срабатываний такого рода может быть существенной, если поверхность блестящего объекта круглая или объект попадает в поле луча в случайном положении.
Благодаря развитию светодиодной технологии увеличивается использование в фотоэлектрических датчиках светодиодов видимого диапазона. Когда используется видимое излучение, фотоэлектрический датчик виден как вспышка в отражателе. Когда от рефлектора идет отраженный луч, это означает, что фотоэлектрический датчик настроен правильно. Этот принцип так же работает, когда источник видимого света используется в фотодатчиках, работающих на просвет. Обратный отражатель ставится перед линзой приемника и излучатель поворачивается таким образом, что бы был виден луч в обратном отражателе. Затем отражатель убирается и пара датчиков – приемник и излучатель остаются в положении точной настройки.
Поляризационные фильтры так же часто применяются в тех случаях, когда используется излучатель датчика видимого диапазона. Поляризационный фильтр используемый с фотоэлектрическим датчиком, срабатывающим на обратное отражение, может значительно сократить число ложных срабатываний. Прежде всего расположите поляризационные фильтры напротив излучателя и приемника, затем поверните фильтры таким образом, что бы плоскости поляризации фильтров были расположены на 90 градусов относительно друг друга. Свет от излучателя, проходя через поляризационный фильтр обладают вертикальной поляризацией. Когда свет отражается от обратного отражателя, его плоскость поляризации поворачивается на 90 градусов. И только такой поляризованный свет может пройти через поляризационный фильтр, расположенный на приемнике. Когда поляризованный свет отражается от блестящей поверхности, его плоскость остается в том же положении и он не может пройти через второй поляризационный фильтр.
Эта схема эффективно снижает помехи, связанные с бликами, однако, так же как и светофильтр, снижает мощность излучения более, чем на 50%. Это становится существенным, когда вокруг датчика большая запыленность или объект находится на большом расстоянии. Следует так же помнить, что фотоэлектрические датчики с поляризационным фильтром работают только в паре с обратным отражателем, отражающие плоскости которого образованы гранями куба.

Фотоэлектрические датчики, срабатывающие на рассеянное отражение , обнаруживают объект, расположенный перед датчиком по отраженному от объекта излучению самого датчика. Свет от излучателя падает на поверхность и отражается под самыми разными углами, так что некоторая доля рассеянного от поверхности объекта излучения попадет в приемник датчика. Схема работы с рассеянным отражением не столь эффективна, поскольку только малая часть света, от излучателя попадает в приемник. К тому же подобные датчики подвержены ложным срабатываниям от блестящих поверхностей. Так же диапазон срабатывания от яркого белого объекта будет значительно больше, чем от черного.
Многие модели датчиков используют линзы, что бы сделать пучок света от излучателя более узким и интенсивным и тем самым поднять долю света, которая в результате приходит на приемник. Одновременно с тем, что использование линз увеличивает рабочее расстояние датчика, одновременно с этим уменьшается критический угол распространения бликов от блестящих поверхностей. Это происходит по той причине, что отражения от блестящих поверхностей более направленные и напоминают отражения от зеркальных поверхностей.