Публикации

Оптическая схема обычных фотоэлектрических датчиков имеет три основ- ных типа: работа на просвет, на обратное отражение и на рассеянное отра- жение. Зная, как работают фотоэлектрические датчики, можно грамотно выбрать сенсор для своих применений.

Работа на просвет

В этом типе датчиков (рис. 1) приемник и излучатель расположены напротив друг друга таким образом, что световой поток из излучателя попадает непосредственно в приемник. Положе- ние объекта определяется, когда он перекрывает луч от излучателя в приемник. Настройка взаим- ного расположения датчиков заключается в том, чтобы максимальное количество света от излуча- теля 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. Сегодня, имея интенсивные и модулированные излучатели, проводить настройку датчиков, работающих на просвет, становится несложным делом. Под рабочим диапазоном такого датчика подразумевается максимальное расстояние меж- ду излучателем и приемником, при котором мо- жет происходить работа датчика. Эффективный луч датчика – это часть полного луча, излучаемо- го излучателем, которая необходима для надеж- ного срабатывания, когда объект перекрывает луч. Эффективный луч датчиков, работающих на просвет – это цилиндр, соединяющий линзы излучателя и приемника (это может быть также конус, если линзы излучателя и приемника име- ют разный диаметр). Эффективный луч не может выходить за пределы диаграммы направленности излучателя и поля зрения приемника. Эффективный луч стандартных фотоэлек- трических датчиков слишком большой, чтобы обнаруживать малые объекты, проверять малые профили и позиционировать объекты с высокой точностью. В таких случаях линзы датчика могут быть частично перекрыты маской для умень- шения эффективного размера луча.

Некоторые модели фотоэлектрических датчиков, работаю- щих на просвет, имеют специальные адаптеры для этого. Такой адаптер может быть изготовлен, если просверлить или вырезать отверстие или щель в тонкой металлической пластине и рас- положить ее напротив центра линз. При выборе адаптера стоит помнить, что фотоэлектрические датчики имеют интенсивное модулированное излучение, которое может проникать через множество неметаллических материалов под различными углами. Однако использование маски снижает энер- гию луча датчика пропорционально снижению площади линз, которые перекрывает датчик. Пря- моугольные щелевые маски в меньшей степени снижают световую энергию от датчика, чем круг- лые маски того же диаметра. Прямоугольные маски применяются, когда объект проходит через луч в определенном положении, например, в задаче оп- ределения края объекта. Однако, если небольшой объект проходит через луч датчика в произвольном положении, применяется круглая маска.

Если объект, положение которого необ- ходимо 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. Но 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 фотоэлек- трических датчиках, работающих на просвет. Модулированные светодиоды высокой мощнос- ти, используемые в некоторых фотоэлектриче- ских датчиках, могут создавать флуктуации свето- вой энергии вокруг объекта равные или несколько большие, чем эффективный луч. Это еще один по- вод, чтобы проверить, что размер эффективного луча датчика меньше размеров объекта. Исполь- зование 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 позициони- рования малых объектов и для прецизионного определения положения объектов.

На обратное отражение

Фотоэлектрические датчики, срабатыва- ющие на обратное отражение (рис. 2), содержат в одном корпусе схему излучателя и приемника. Световой луч распространяется от излучателя до обратного отражателя, затем попадает в прием- ник. 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. Эффек- тивным лучом в датчиках, срабатывающих на обратное отражение, является конус формой, совпадающей с фигурой, соединяющей линзы датчика и отражатель. Отраженный луч, обыч- но не сфокусированный, и поэтому датчики, срабатывающие на обратное отражение, при- меняют для обнаружения достаточно больших объектов. Вместе с тем, когда требуется малый эффективный размер луча, то, как и в датчиках, работающих на просвет, используются лазерные диоды в качестве источников света.

Большинство обратных отражателей сделано из множества маленьких призм, образо- ванных углом куба, и каждая из этих призм имеет три взаимно перпендикулярных отражающих по- верхности. 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 отра- жает 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. Зеркальные поверхности также могут использоваться в качестве отражателей для дат- чиков. Однако, луч от зеркальной поверхности отражается под тем же углом, что и падающий луч, но в противоположном, относительно нор- мали к поверхности зеркала, направлении. Для того чтобы луч попал обратно на датчик, необ- ходимо, чтобы зеркало было расположено строго перпендикулярно лучу. С другой стороны, обрат- ный отражатель посылает луч обратно в датчик, даже если расположен под углом примерно 20° 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 такие фотоэлектрические датчики срабатывают только тогда, когда пред- мет перекрывает луч, отраженный от отражателя. Однако, если объект имеет зеркальную или блестящую поверхность, он может пройти через луч датчика, и не быть обнаруженным.

Проблема решается 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 техно- логии увеличивается использование в фотоэлек- трических датчиках светодиодов видимого диа- пазона. Когда используется видимое излучение, фотоэлектрический датчик виден как вспышка в отражателе. Когда от рефлектора идет отражен- ный 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, чтобы был виден луч в обратном отражателе. Затем отражатель убирается, и пара датчиков, приемник и излучатель, остаются в положении точной настройки. Поляризационные фильтры также часто применяются в тех случаях, когда используется излучатель датчика видимого диапазона.

По- ляризационный фильтр, используемый с фо- тоэлектрическим датчиком, срабатывающим на обратное отражение, может значительно сократить число ложных срабатываний. Пре- жде всего расположите поляризационные фильтры напротив излучателя и приемника, за- тем поверните фильтры таким образом, чтобы плоскости поляризации фильтров были распо- ложены на 90° относительно друг друга. Свет от излучателя, проходя через поляризационный фильтр, обладает вертикальной поляризацией. Когда свет отражается от обратного отражате- ля, его плоскость поляризации поворачива- ется на 90°. 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, также как и све- тофильтр, снижает мощность излучения более чем на 50%. Это становится существенным, когда вокруг датчика большая запыленность или объект находится на большом расстоянии. Следует также помнить, что фотоэлектриче- ские датчики с поляризационным фильтром работают только в паре с обратным отражателем, отражающие плоскости которого образованы гранями куба.

На рассеянное отражение

Фотоэлектрические датчики, срабатыва- ющие на рассеянное отражение, обнаруживают объект, расположенный перед датчиком по отраженному от объекта излучению самого дат- чика. Свет от излучателя падает на поверхность и отражается под самыми разными углами, так что некоторая доля рассеянного от поверхности объекта излучения попадет в приемник датчи- ка. Схема работы с рассеянным отражением не столь эффективна, поскольку только малая часть света от излучателя попадает в приемник. К тому же подобные датчики подвержены лож- ным срабатываниям от блестящих поверхнос- тей. Также диапазон срабатывания от яркого белого объекта будет значительно больше, чем от черного. Многие модели датчиков используют линзы, чтобы сделать пучок света от излучателя более узким и интенсивным и тем самым под- нять долю света, которая в результате приходит на приемник. Использование линз увеличивает рабочее расстояние датчика, одновременно с этим уменьшается критический угол распро- странения бликов от блестящих поверхностей. Это происходит по той причине, что отражения от блестящих поверхностей более направлен- ные и напоминают отражения от зеркальных поверхностей. Каждый тип фотоэлектрического датчика в зависимости от условий применения и ситуации имеет свои недостатки и достоинства, обуслов- ленные принципом работы сенсоров, и подбирается в зависимости от условий эксплуатации.

Подготовил Иван Власов,
ts@tehsovet.ru
Источник: www.kipinfo.ru