- Что такое оптический датчик?
- Конструкция и принцип работы
- Область применения волоконно-оптических датчиков
- Виды и характеристики
- Виды емкостных датчиков?
- Волоконно-оптические датчики
- Емкостные датчики
- Особенности емкостных датчиков
- Виды оптических датчиков
- Барьерные
- Диффузные датчики
- Рефлекторные датчики
- Специфические датчики
- Классификация по месту установки
- Область применения оптических датчиков
- Области применения
- Конструкция устройства
Что такое оптический датчик?
Оптический датчик – это электронный прибор компактного размера, оценивающий параметры объекта, попадающих в зону действия, за счет обработки светового излучения разного диапазона. Они классифицируются на несколько типов в зависимости от конструктивных и других особенностей, но принцип действия у этого оборудования одинаковый в каждом случае.
Порядок активации оптического датчика определяется производителем, т.е. последний задает конкретные условия, при наступлении которых прибор включается. Активация датчика происходит в момент, когда световое излучение, попадающее на устройство, приобретает достаточную интенсивность.
Принцип действия данного прибора основан на способности встроенной электроники распознавать изменения характера свечения. Датчик активируется в момент, когда световой поток беспрепятственно попадает на устройство. Но в случае его прерывания прибор перестает работать. В этот момент на компьютер поступает соответствующий закодированный сигнал, и оператор получает информацию о наличии объекта в зоне действия датчика.
Федеральное
агентство по образованию
Государственное
общеобразовательное учреждение высшего
профессионального образования
«МАТИ»
– Российский государственный технологический
Кафедра:
«Испытания летательных аппаратов»
По
дисциплине: «Автоматизация испытаний»
Одним
из узлов, определяющих точность работы
любой системы позиционирования, являются
датчики перемещения. Датчики перемещений
предназначены для преобразования
величины линейного перемещения или
угла оборота ходового винта в унитарный
код: простую последовательность
одинаковых по длительности и амплитуде
электрических импульсов, число которых
прямо пропорционально величине углового
или линейного перемещения.
Для
преобразования непрерывно изменяющейся
величины в дискретные электрические
импульсы широко применяются индуктивные
и оптические датчики.
Датчики
перемещения Модель 8740
Данные индуктивные
датчики перемещения с
интегрированной электроникой содержат
линейный дифференциальный трансформатор
и усилитель
несущей частоты (генератор,
демодулятор, фильтр и усилитель), которые
установлены в корпусе из нержавеющей
стали.
Напряжение
питания датчика осуществляется постоянным
током; выходной сигнал по напряжению
пропорционален перемещению. Дифференциальный
трансформатор состоит из первичной и
двух вторичных катушек, которые
расположены симметрично относительно
первичной катушки.
Наведенный
сигнал во вторичных катушках датчика
демодулируется, фильтруется и усиливается
интегрированной электроникой.
Ферромагнитный сердечник подвижен в
пределах дифференциального трансформатора.
В зависимости от положению этого
сердечника измененяется аналоговый
выходной сигнал датчика.
Модель
8740 содержит осевой свободный шток с
двумя пластмассовыми направляющимими
кольцами. Они обеспечивают центровку
штока в центральном отверстии датчика.
Механическое
крепление штока датчика на объект
измерения может быть произведено
посредством резьбового соединения.
Следует избегать поперечных нагрузок.
Модель
8741 имеет шарикоподшипники для направления
штока. Наконечник прижимается к
контактной площадке объекта измерения
при помощи внутренней пружины. Применение
этой версии индуктивных
датчиков перемещений предпочтительно
в случаях, когда механическое крепление
или затруднительно или просто не
практично. Измерительная сторона датчика
защищена от грязи, пыли и брызг резиновым
сильфоном.
Существует
множество вариаций схем датчиков
перемещения, основанных на различных
оптических эффектах. Пожалуй, наиболее
популярной является схема оптической
триангуляции — датчик положения
является, по сути, дальномером, который
определяет расстояние до интересующего
объекта, фиксируя рассеянное поверхностью
объекта излучение и определяя угол
отражения, что даёт возможность определить
длину d — расстояние до объекта (Рисунок
3). Важным достоинством большинства
оптических датчиков является возможность
производить бесконтактные измерения,
кроме того такие датчики обычно довольно
точны и имеют высокое быстродействие.
Рис.
Оптический датчик перемещения на основе
схему оптической триангуляции.
В
другой реализации оптического датчика,
предназначенной для регистрации и
определения параметров малых перемещений
и вибраций, используется двойная
решётчатая конструкция, а также источник
света и фотодетектор. Одна решётка
неподвижна, вторая подвижна и может
быть механически закреплена на
интересующем объекте или каким-либо
способом передавать датчику его движение.
Малое смещение подвижной решётки
приводит к изменению интенсивности
света, регистрируемой фотодетектором,
причём с уменьшением периода решётки
точность датчика возрастает, однако
сужается его динамический диапазон.
Рис.
Оптический датчик перемещения на основе
дифракционных решеток.
Дополнительными
возможностями применения обладают
оптические датчики, учитывающие
поляризацию света. В таких датчиках
может быть реализован алгоритм селекции
объектов по отражательным свойствам
поверхности, т.е. датчик может «обращать
внимание» только на объекты с хорошей
отражающей способностью, прочие объекты
игнорируются. Разумеется, чувствительность
к поляризации негативно сказывается
на стоимости подобных устройств.
Датчик
представленного типа изображенный на
рисунке 9.1 в своем составе включает в
себя электрический контур, имеющий
потенциометр. Линейное передвижение
объекта влечет за собой к изменению
отношения напряжения к величине тока
потенциометра (так называемого переменного
резистора). В тех случаях, когда через
потенциометр проскакивает постоянный
ток, то падение разности потенциалов
на нём будет равномерно изменятся
относительно величины сопротивления,
и, из этого следует заключение, параметру
линейного перемещения испытуемого
объекта.
Рисунок
9.1 – Потенциометрический датчик
перемещения
Включение
потенциометрического датчика выглядит
следующим образом: напряжение питания
подается на всю обмотку реостата через
неподвижные выводы этой обмотки. Выходное
напряжение, пропорциональное перемещению
движка, снимается с одного из неподвижных
выводов и с подвижного движка. Такая
схема включения в электротехнике
называется потенциометрической или
схемой делителя напряжения. Конструктивно
потенциометрический датчик (рис. 9.2)
состоит из каркаса 1, на который намотана
в один слой обмотка 2 из тонкого провода.
По виткам обмотки скользит движок
(щетка) 3, который механически связан с
объектом, перемещение которого надо
измерить. Обмотка выполнена из
изолированного провода, а дорожка, по
которой скользит движок, предварительно
очищена от изоляции.
Наряду
с механическими датчиками перемещения,
потенциометрические датчики получили
наиболее широкое распространение в
силу своей простоты и низкой стоимости,
однако для универсальных, прецизионных
и бесконтактных измерений в последнее
время всё чаще используются датчики на
основе оптических эффектов.
Рисунок
9.2 – Включение потенциометрического
датчика
При
эксплуатации систем автоматики и
информационно-измерительной техники
возникает необходимость в измерении и
анализе различных физических величин.
Зачастую требуется привести их к виду
и форме, удобным для дальнейшей обработки,
но не поддающимся непосредственному
восприятию. Для этих целей служат
датчики.
Под
датчиком подразумевается элемент,
преобразующий контролируемую величину
одного вида в величину другого вида,
более удобную для воздействия на
оперативный орган системы автоматического
управления. В электрическом датчике
изменение контролируемого (часто
неэлектрического) параметра на входе
вызывает определенное изменение
выходного электрического параметра,
что приводит к изменению (коммутации)
тока или ЭДС в электрической цепи на
выходе датчика. Поэтому датчики принято
относить к электрическим аппаратам.
Бывает
большое число вариаций схем датчиков
перемещения, работа которых основана
на множестве оптических эффектах.
Часто-используемым является схема
оптической триангуляции – датчики,
сконструированные по данной схеме
находят пройденное перемещение объекта
по углу, 20 образованного в результате
отражения луча от поверхности. Из всех
видов схем оптических датчиков в
электронике чаще всего применяют датчик,
выполненный по схеме оптической
триангуляции, который располагается
под углом к объекту и принимает излучение,
отраженное от его корпуса и преобразует
её в направленное движение заряженных
частиц. По обработанным данным фиксируется
расстояние d до интересующего объекта.
Датчик выполненной по схеме оптической
триангуляции показан на рисунке 10.1.
Плюсом всех оптических датчиков является
то, что они способны проводить измерение,
не контактируя с объектом. Также стоит
отметить тот факт, что они весьма точны
и обладают высокой скоростью работы.
Рисунок
10.1 – Оптический датчик перемещения,
построенный по технологии оптической
триангуляции
Другой
оптический датчик, который регистрирует
малые перемещения объекта, вычисления
величины его вибрация, выполнен в виде
двух дифракционных решеток, а также в
его конструкции входит встроенный
источник света и фотоприемник. Схема
датчика, выполненная данным изображена
на рисунке 10.2. Устроен он следующим
образом: одна из решёток находится в
статическом режиме, а вторая динамична
и может перемещается в ограниченной
области, который специально рассчитывается,
чтобы фотодатчик мог уловить весь
диапазон отраженного света. Дифракционная
решетка необязательно должна находиться
на расстоянии от объекта, она также
может крепиться на нем. Точность измерений
зависит от 21 периода решетки, чем он
меньше, тем выше точность обрабатываемого
сигнала, но в свою очередь
динамический
диапазон уменьшается в разы.
Рисунок
10.2 – Оптический датчик перемещения,
выполненный из двух дифракционных
решеток
Дополнительным
свойством оптических датчиков является
возможность воспринимать эффект
поляризации. В таких датчиках реализован
алгоритм выборки объектов по отраженным
свойствам их наружного покрытия, т.е.
датчик воспринимает только тот участок
света, который отразился от объектов с
хорошими отражающими свойствами,
например, объект чья внешняя сторона
отполирована, стекло, обработанная
сталь и прочие материалы с высоким
коэффициентом отражения. Остальные
объекты чья поверхность плохо-обработанная,
имеет выемки, повышенную шероховатость
отсеиваются датчиком. Недостатком таких
датчиков это завешенная стоимость по
сравнению с другими оптическими
датчиками. Такая цена обусловлена
высокой точностью и чувствительностью
к поляризации.
Датчик
оптического потока – это датчик
перемещения, который хорошо измеряет
линейные смещения, но он очень чувствителен
к изменяемой величине измерения, сильно
зависит от измерительной поверхности
и чувствителен к траектории отслеживания.
Низкая стоимость и широкий спектр
применения способствовали популярности
датчика среди пользователей. В оптическом
датчике для оценки перемещения
используется вязкоупругий подающийся
к деформации полиэтилен. Датчик
используется для оценки перемещения
мобильных роботов. Дополнительный
функционал такого датчика применение
в качестве оценки положения листовых
материалов. Для оценки траектории
движения датчики устанавливаются на
жестком корпусе.
К
достоинствам этой категории приборов
можно отнести:
–
Реализацию бесконтактного контроля.
–
Практически мгновенно формирование
управляющего сигнала (отсутствие времени
задержки срабатывания).
Недостатками
высокоточных оптических датчиков
считаются:
–
Критичность к условиям окружающей
среды.
Конструкция и принцип работы
Основным элементом емкостных датчиков является конденсатор, который может быть выполнен в плоском или цилиндрическом виде. Когда подвижная пластина конденсатора начинает перемещаться, увеличивая расстояния до неподвижной пластины, происходит деформация диэлектрика, при этом изменяется его положение, ведущее к изменению диэлектрической проницаемости и еще многих параметров.
Емкость для плоского конденсатора вычисляется по следующей формуле: С = Ɛ×Ɛ0×S/d, где
Датчики емкостного типа работают следующим образом:
Область применения волоконно-оптических датчиков
Наиболее распространены оптоволоконные устройства, работающих на принципе решеток Брэгга. Их можно использовать практически повсеместно, в том числе в агрессивных средах. В частности, волоконно-оптические датчики применяются в:
Разработка новых технологий в производстве волоконно-оптических датчиков позволяет снижать стоимость этих приборов и все более интенсивно использовать их там, где применение других средств измерения невозможно или экономически нецелесообразно.
Виды и характеристики
Вне зависимости от типа оптоволоконные датчики работают по одному и тому же принципу, основанному на перемещении электромагнитной волны (светового излучения) по оптоволокну. При этом под действием внешних факторов параметры волокна видоизменяются в волоконных решетках Брэгга и регистрируются модулем детектирования.
Оптоволоконные датчики подразделяются на две категории:
Аналогичным образом работают акустические датчики, где пульсация изучения, проходящего по оптоволокну, фиксируется анализатором, что позволяет обнаружить звуковую волну и установить ее источник. Эти устройства хорошо себя проявили в системах контроля доступа, сигнализируя о попытке несанкционированного проникновения в запретную зону.
В случае, когда требуется транслировать сигнал на расстоянии, оптоволокно должно быть многомодовым. Если оптоволокно выполняет функции сенсора, оно может быть одномодовым.
Виды емкостных датчиков?
По типу исполнения оборудование бывает 2 видов.
Простейшее устройство, которое представляет собой переменный конденсатор. При этом стоит отметить, что простота конструкции ведет к чувствительности таких приборов к негативным внешним факторам, таких как влага, перепады температур и т.п.
В схеме таких датчиков используются два переменных конденсатора. Они могут быть дифференциальными, обладающие высокой устойчивостью к внешним факторам, стабильностью и точностью при работе, и полудифференциальными, которые применяются, если первый тип использовать не получается.
По принципу действия или по контролируемой величине емкостные датчики делятся на:
Датчики линейных перемещений. В таких датчиках линейное перемещение объекта преобразуется пропорционально в перемещение пластин конденсатора, что приводит к изменению емкости. По этому значению емкости можно вычислить расстояние, на которое переместился объект.
Датчики угловых перемещений. Принцип действия абсолютно схож с предыдущем типом датчика. Отличие лишь в том, что в данном устройстве идет зависимость углового перемещения от емкости.
Инклинометры. Данный тип датчиков применятся для контроля наклона или крена. Основным элементом является капсула, которая располагается в подложке с планарными электродами. В качестве чувствительного электрода выступает проводящая жидкость, которая располагается внутри корпуса. В совокупности оба эти электрода являются дифференциальным конденсатором. Величина сигнала на выходе датчика пропорциональна емкости этого конденсатора, которая зависит от того, где находится корпус по вертикали. То есть угол наклона, который определяется по вертикальному положению, прямо пропорционален емкости конденсатора. Такие датчики обладают высокой точностью измерения, имеют компактный корпус и небольшой вес, и в целом отличное соотношение цена/качество/функциональность.
Датчики уровня. Очень распространены во многих отраслях промышленности для контроля уровня различных технологических веществ в емкостях, баках и т.п. При этом датчики емкостного типа работают, как с жидкостями различной вязкости, так и с сыпучими материалами. Также такие датчики надежно работают в самых сложных ситуациях, при которых идет большое запыление в емкости или образование конденсата.
Датчики давления. Конструкция подобных датчиков давления бывает одностаторная или двухстаторная. В одностаторных устройствах используется металлическая ячейка, которая делиться на части плоской диафрагмой со статичным электродом. Диафрагма и электрод представляют собой переменный конденсатор. При деформации диафрагмы изменяется значение емкости, которое пропорционально приложенному давлению. В двухстаторных приборах диафрагма может двигаться в обе стороны, за счет этого может измеряться дифференциальное давления. Датчики подобного типа имеют незначительную погрешность.
Волоконно-оптические датчики
Волоконно-оптические датчики принадлежат к категории электронных устройств, предназначенных для контактной или бесконтактной регистрации изменений физических параметров технологического процесса (температуры, давления, скорости перемещения, вибрации и других показателей) и дальнейшей передачи информации по оптоволоконной линии связи. Благодаря выдающимся метрологическим характеристикам, стабильности и надежности они получили широкое распространение в автоматизированных системах управления и контроля.
Емкостные датчики
В современное время на предприятиях промышленности используется огромное количество различных специальных приборов и устройств. Они исполняют важные функции в технологических процессах. В зависимости от конкретного примера это позволяет ускорить, обезопасить, улучшить качество или управляемость процесса.
Одним из таких устройств является датчик емкостного типа. Он позволяет контролировать значение определенных технологических параметров за счет зависимости между величиной своего емкостного сопротивления и значением контролируемого параметра.
Особенности емкостных датчиков
Основными достоинствами применения емкостных датчиков являются:
Из ограничений емкостных датчиков следует выделить:
Виды оптических датчиков
Оптические датчики применяются для решения широкого круга задач. В связи с этим перед покупкой прибора необходимо определиться с:
В зависимости от особенностей работы оптические датчики подразделяются на 3 типа.
Барьерные
Датчики барьерного типа отличаются нестандартным принципом работы. Для активации прибора необходимо, чтобы приемник и передатчик были установлены друг напротив друга. Только при соблюдении данного условия световой луч будет попадать в прибор. Если между приемником и передатчиком возникает барьер (отсюда и название устройства), то датчик подаст соответствующий сигнал.
Благодаря этой особенности они способны контролировать территорию на большом расстоянии. При этом барьерные датчики демонстрируют высокую эффективность. В частности, на работоспособность прибора не влияют капли жидкости и пыль.
Среди минусов барьерных датчиков выделяют следующее:
Последние 2 недостатка можно устранить, изменив соответствующим образом положение регулятора чувствительности. При этом прибор должен быть настроен таким образом, чтобы диаметр луча превосходил размеры объекта, попадающего в контролируемую зону.
Считается, что датчики барьерного типа – самая надежная разновидность подобных устройств. Это обусловлено высокой эффективностью приборов, которые могут контролировать территории большой площади и работают без помех.
Приемник и передатчик у устройств данного типа разрешено размещать на расстоянии в 10 метров друг от друга. К последнему обязательно подводится питание. Передатчик у приборов барьерного типа только транслирует световой луч. Это устройство не требует настройки. Чувствительность и другие параметры работы датчика регулируется на приемнике.
Чтобы оборудование функционировало в рамках заданных параметров, необходимо устанавливать на территории приемник и передатчик из одного комплекта. Компоненты, выпущенные разными производителями, не способны работать друг с другом.
Датчики барьерного типа применяются преимущественно на охраняемых территориях. На промышленных предприятиях устанавливаются устройства других видов.
Диффузные датчики
У датчиков диффузного типа приемник и передатчик размещаются в одном корпусе. Принцип действия данного прибора основан на зеркальном отображении. Суть этого процесса сводится к следующему: передатчик испускает световой луч, который, попадая на объект, рассеивается в разные стороны. Часть таких волн возвращается обратно к датчику, попадая на приемник. В этом случае прибор активируется.
Основной недостаток устройств диффузного типа заключается в том, что датчики не способны выявлять объекты с низкой отражающей способностью. Для подобных случаев применяются выключатели с подавлением фона.
Второй недостаток – небольшая область контроля. Устройства функционируют в зоне на расстоянии в 50 см. Однако диффузные датчики при условии правильной настройки способны сразу выявлять объекты, которые появляются в контролируемой области.
Чтобы определить место, в котором будет установлен датчик, необходимо взять лист чистой бумаги и медленно провести его рядом с датчиком. Прибор должен актироваться на:
Для более точной настройки прибора применяется специальная таблица, в которой указаны отражающие свойства материалов. На основе коэффициентов из этого перечня проводится регулировка устройства.
Рефлекторные датчики
Датчики этого типа активируются при отражении светового луча от рефлектора, после чего тот попадает на приемник. Прибор повторно включается, когда объект покидает контролируемую зону.
Рефлекторные датчики действуют на расстоянии до 10 метров. При этом данное устройство способно контролировать и большую территорию, но тогда снижается эффективность его работы. Объясняется это тем, что по мере увеличения расстояния повышается вероятность смещения направления светового луча из-за вибрации либо пыли.
Рефлекторные датчики, у которых приемник и передатчик размещены в одном корпусе, способны распознавать полупрозрачные объекты. Такие приборы часто используют как один из компонентов конвейера. Датчик регистрирует момент, когда изделие попадает в определенную точку, и сигнализирует о выходе продукции из зоны контроля.
Специфические датчики
Список моделей оптических датчиков не ограничивается приведенными типами. Данные приборы также делятся на следующие виды:
Благодаря такому разнообразию датчиков можно подобрать приборы, которые будут выполнять в том числе и узкоспециализированные задачи.
Классификация по месту установки
Оптические датчики отличаются компактными размерами, что упрощает монтаж приборов. Для расширения области применения производители дополняют такие устройства выносными модулями.
Область применения оптических датчиков
Оптические датчики применяются для определения наличия предметов. Эти устройства позволяют:
Обычно оптические датчики сочетают с системами сигнализации, контроля освещением или приборами с дистанционным управлением. Несмотря на простую конструкцию, обеспечивающую продолжительный срок эксплуатации, устройства демонстрируют высокую точность проводимых измерений. Одновременно с этим датчики за счет использования кодируемого сигнала минимизируют риски стороннего влияния на работу приборов.
Чаще устройства данного типа применяются вместе с охранными системами. В этом случае датчики используются для регистрации движения на территории. Также устройства входят в состав систем автоматического управления оборудованием.
Оптические датчики демонстрируют высокую точность измерения предметов, которые передвигаются с большой скоростью. Поэтому эти устройства применяются для подсчета количества оборотов двигателей разного типа и оценки уровня жидкостей. В обоих случаях датчики в основном применяются на промышленных предприятиях.
Области применения
Емкостные датчики получили широкое распространение во многих отраслях промышленности. Они применяются для непрерывного измерения параметров технологического процесса, таких как уровень, давление. Также они позволяют получать дискретные сигналы о заполнении емкостей, о положениях различных механизмов и т.п.
На сегодняшний день множество применений получают датчики приближения объекта. На многих производствах их можно встретить при выполнении функций контроля наполнения емкостей из пластика или стекла, контроля состояния конвейерной ленты и многого другого.
Датчики угловых и линейных перемещений нашли свое применений в машиностроительных, энергетических и подобны отраслях тяжелой промышленности.
Функционал инклинометра позволяет ему быть востребованным для многих областей, например:
Работа датчиков построена на свойствах оптоволокна, представляющего собой стеклянный или пластиковый сердечник в полиэтиленовой оплетке, закрытой полимерной пленкой. Нитевидный сердечник содержит специальные добавки, улучшающие коэффициент преломления световых волн. Оплетка служит проводником для светового потока.
Оптоволокно выступает в двух ипостасях: как чувствительный элемент и как канал передачи сигнала. Самыми востребованными являются сенсоры с оптическим преобразователем, в состав которых входят чувствительный оптический элемент, приемник и излучатель. Преобразователь размещается между торцами принимающих и передающих волокон, а в качестве излучателя выступает светодиод. Детектор представлен высокочувствительным p-i-n-фотодиодом.
У датчиков с оптическим зондом применяются одно- или многомодовые оптоволоконные кабели или жгуты, в которых источниками света выступают светодиоды либо лазерные излучатели. Эти бесконтактные датчики характеризуются надежностью и высокой чувствительностью и точностью измерений.
Конструкция устройства
Оптические датчики состоят из приемника и источника светового излучения. Оба компонента лежат в основе каждого прибора.
При этом источник излучения (излучатель) состоит из:
В состав приемника входят:
Индикатор цвета показывает следующие режимы работы датчика:
Если не рассматривать специализированные типы оптических датчиков (щелевые и другие), то эти приборы в зависимости от конструкции можно условно разделить на 2 вида: с цилиндрическим и прямоугольным корпусом. Такая особенность существенно упрощает выбор устройств.