Статьи

Фотоэлектрические датчики

08 сентября 2009 г.

Автор: Смирнов Борис, инженер

       В данной статье можно ознакомиться с номенклатурой и техническими характеристиками основных типов фотоэлектрических датчиков, выпускаемых немецкой компанией SICK AG.

        Разработка все более сложных «интеллектуальных» сенсоров и сенсорных систем, предназначенных для автоматизации производственных и технологических процессов, является основным направлением деятельности фирмы SICK AG. Небольшая фирма, основанная в 1946 г., за время своего существования превратилась в крупный международный концерн. Постоянное внедрение новей¬ших технологий и продуманная ценовая политика обеспечивают фирме SICK лидирующие позиции на мировом рынке. В частности, на рынке фотоэлектрических и оптических датчиков с расширенными возможностями (датчики расстояния, датчики цвета и контраста, датчики люминесцентных меток и т.д.) по объему продаж данных типов изделий фирма SICK AG занимает первое место в мире.
Как и в остальной продукции фирмы, в фотоэлектрических датчиках SICK используются новейшие достижения науки, техники и технологий, что позволяет достичь оптимального соотношения показателя цена/характеристики. Авторами многих из этих разработок являются специалисты фирмы. Стоит отметить, что на научные разработки она тратит приблизительно 9% от годового оборота.
Фотоэлектрические датчики можно использовать практически во всех отраслях промышленности в качестве бесконтакт¬ных выключателей для подсчета, обнаружения, позиционирования и других задач на любой технологической линии.
Компания SICK AG начинала свою деятельность с фотоэлектрических и в ассортименте выпускаемых изделий следует выделить следующие классы:

  • фотоэлектрические датчики с отражением от объекта (proximity photoelectric switches);
  • фотоэлектрические датчики с отражением от рефлектора (reflex photoelectric switches);
  • фотоэлектрические датчики на основе пересечения луча (through-beam photoelectric switches);
  • фотоэлектрические датчики с подавлением переднего фона (proximity photoelectric switches with foreground suppression);
  • фотоэлектрические датчики с подавлением заднего фона (proximity photoelectric switches with background suppression);
  • фотоэлектрические датчики с оптоволоконным кабелем (fiber-optic photoelectric switches).

На рынке достаточно много фирм, которые выпускают подобного вида изделия. На первый взгляд, изделия одной фирмы незначительно отличаются от продукции дру¬гой. Однако современные фотоэлектрические датчики представляют собой сложные устройства. В них инженеры воплотили современные технологии и последние достижения науки.
Остановимся на классе фотоэлектрических датчиков, которые работают по принципу отражения от объекта (см. рис. 1). Это наиболее недорогие фотоэлектрические датчики, чувствительность которых изменяется с помощью потенциометра.
Светлые объекты отражают больше света, чем темные и, кроме того, светлый объект можно обнаружить на большей дистанции. Для того чтобы достичь подобных результатов с темным объектом, чувствительность датчика увеличивается с помощью вращательного потенциометра.

Рис. 1. Принцип работы датчика с отражением от объекта 

         Следует отметить, что для этих датчиков определенную проблему составляет распознавание темных объектов на светлом заднем фоне. В то же время эти устройства - идеальный выбор для обнаружения светлых объектов на темном заднем фоне. Следует также упомянуть о существовании определенных проблем с обнаружением зеркальных предметов со сложной геометрией поверхности, а также о возможности негативного влияния внешних источников освещения.
Основные достоинства этого типа датчиков следующие: отсутствует необходимость в рефлекторе, невысокая стоимость, возможность надежного определения светлых объектов на черном фоне. К недостаткам следует отнести отсутствие подавления переднего и заднего фона и проблемы с определением черных объектов на светлом фоне.
        Следующий тип датчиков - фотоэлектрические датчики, работающие по принципу пересечения луча. В этом методе передатчик и приемник разделены по корпусам, что позволяет устанавливать их напротив друг друга на рабочем расстоянии. Принцип работы основан на том, что передатчик постоянно посылает световой луч, поступающий в приемник. Если световой сигнал датчика прерывается в результате перекрытия сторонним объектом, приемник немедленно реагирует, меняя состояние выхода. Принцип действия датчика на основе пересечения луча представлен на рисунке 2.
 
       Основными преимуществами данного типа датчиков является большой диапазон работы (до 350 м), надежное обнаружение объектов в пыльных и влажных помещениях, обнаружение объектов с высокой отражательной способностью, а также обнаружение небольших объектов. Недостатками являются большая стоимость, чем датчиков с отражением от объектов, большие трудности при инсталляции, а также настройке датчиков из-за наличия двух компонентов.
        Следующая большая группа датчиков - фотоэлектрические датчики, работающие на основе отражения оптического луча от рефлектора (отражателя). Световой луч отражается от рефлектора, и отраженный луч детектируется датчиком. Эти устройства бывают двух видов: датчики с двумя линзами и датчики с автоколлимациеи, принцип действия которых представлен на рисунке 4.
 Рис. 5. Принцип работы фотоэлектрического датчика с подавлением заднего фона

При использовании фотоэлектрических датчиков положения с подав¬лением переднего или заднего фона диапазон сканирования устанавливается путем оптической юстировки. Преимуществами датчиков с подавлением заднего фона являются отсутствие надобности в отражателе, необнаружение объектов на заднем фоне (за зоной чувствительности), детектирование очень маленьких объектов с отличной точностью, выявление даже небольшого изменения положения объекта, обнаружение темных объектов на светлом заднем фоне. Недостатками являются ограниченная рабочая дистанция (до 2 м), возможные проблемы с надежным обнаружением объекта в случае изменения заднего фона и, конечно, стоимость - эти датчики являются более дорогими по сравнению с датчиками с отражением от объекта.

Необходимо учитывать ряд сложных моментов при использовании таких датчиков:

  • проблемы с обнаружением объектов с зеркальной поверхностью и объектов, имеющих сложную форму поверхности, - в этом случае отраженный луч может не попасть в фотоприемник;
  • если в заднем фоне находятся зеркальные объекты, то отраженный от них луч может приводить к лож¬ным срабатываниям;
  • источники освещения, находящиеся на заднем фоне, значительно влияют на работу датчика;
  • необходимо устанавливать фотоэлектрические датчики так, чтобы движение объектов относительно датчика происходило в направлениях, показанных на рисунке 3 (красными стрелками отмечены нежелательные траектории движения объекта);
  • следует учитывать, что отражательная способность и цвет объекта влияют на рабочий диапазон.

        Заканчивая описание фотоэлектрических датчиков с подавлением заднего фона, следует упомянуть о новых возможностях, которые реализованы в третьем поколении датчиков компании SICK. В них использована электронная настройка рабочей зоны с помощью КМОП-элемента. Данный элемент представляет собой фотопластину, разделенную на 16 полос различной ширины по логарифмическому закону, выполненную по технологии ASIC. В зависимости от того, в какую из областей возвращается отраженный луч, датчик детектирует объект.
Кроме этого в этих датчиках реализованы цифровой алгоритм компенсации гистерезиса, подавление внешних источников освещения, обнаружение объектов с блестящими поверхностями и интересный механизм компенсации нежелательных отражений луча от зеркальных объектов. Для этого имеется дополнительный фотоизлучатель, который по отраженному лучу на КМОП-элементе выделяет области, которые не будут учитываться в дальнейшем при работе.
Фотоэлектрические датчики с подавлением переднего фона при меняются значительно реже по сравнению с датчиками с подавлением заднего фона. Этими датчиками обнаруживаются объекты в пределах задаваемой области сканирования.  Объект между задним фоном (граница области сканирования) и датчиком надежно обнаруживается даже при его минимальных размерах.
Подавление переднего фона реализовано путем специального расположения фотоприемника и излучателя сигнала. Чтобы гарантировать надежную работу этих датчиков, задний фон (например, конвейерная лента) должен быть относительно светлым по цвету и не иметь значительных флуктуации по высоте.
      Датчики с подавлением переднего фона являются идеальным выбором для объектов с критичными поверхностями (прозрачные или зеркальные объекты), а также когда между объектами, движущимися по конвейерной ленте, имеются очень небольшие промежутки.
        Среди достоинств этого типа фотоэлектрических датчиков следует выделить: возможность обнаружения объектов, незначительно выступающих по высоте на конвейерной ленте, обнаружение объектов с неровной и неоднородной поверхностью, обнаружение небольших объектов с очень высокой точностью, специализация для работы в упаковочной промышленности. К недостаткам можно отнести возможность появления проблем при неправильной настройке конвейера, дороговизна этого типа датчиков по сравнению с фотоэлектрическими датчиками с отражением от рефлектора, а также небольшой ассортимент датчиков с подавлением переднего фона.

 Рис. 6. Принцип работы фотоэлектрического датчика с оптоволоконным кабелем

        В отдельную группу по своим конструктивным особенностям можно выделить фотоэлектрические датчики с оптоволоконным кабелем. В этом случае электрическая часть датчика находится в доступном и безопасном месте, а приемник и передатчик датчика вынесены непосредственно в зону детектирования. Они передают световой сигнал к усилителю по оптоволоконному кабелю. В этих типах датчиков также существуют все методы обнаружения (отражение от объекта, на основе пересечения луча и т.д.).
        Фотодатчики с оптоволокном незаменимы при решении задач обнаружения в труднодоступных местах и зонах с тяжелыми условиями окружающей среды. Этот тип датчиков может применяться при ударных воздействиях, вибрации, высокой температуре и сильных магнитных полях в зоне измерения, а также при проблемах с пространством для установки датчика. Принцип работы датчика с оптоволокном показан на рисунке 7.
        Следует заметить, что один усилительный блок работает с множеством оптических кабелей, различающихся и по методу обнаружения и по конструктивным особенностям, так что пользователю не требуется менять весь датчик при изменении задачи управления.
Достаточно ответственной задачей является правильный выбор оптоволоконного кабеля. Существует два типа оптоволокна: пластиковое (диаметр 10...70 мкм) и стеклянное (0,5...1,5 мм). Преимуществами пластикового кабеля являются невысокая цена и нечувствительность к вибрациям и ударам, способность кабеля к значи¬тельному изгибанию. Недостатками являются нестойкость к некоторым химическим веществам, возможность накопления статического заряда и узкий рабочий диапазон температур: -40...70°С. Что касается стеклянного оптоволокна, то из достоинств можно отметить значительную длину кабеля (до 10 м), возможность работы при высоких температурах, низкий вес, возможность реализации взрывозащиты, нечувствительность к ударам. Слабые стороны - это высокая цена и определенные проблемы при работе в запыленных помещениях.

ЛИТЕРАТУРА
1. Статья подготовлена по материалам статей Олега Лысенко, к.т.н., инженер по продажам, ООО «ЗИК»

 





Новости

В Москве стартует заявочная кампания на получение субсидий для промышленников
19 марта 2021г.

С 22 марта промышленные предприятия столицы могут подать заявку на получение субсидий для возмещения затрат по лизингу, на уплату процентов по кредитным договорам на приобретение оборудования, а также на подключение к инженерным сетям, сообщил заместитель Мэра Москвы по вопросам экономической политики и имущественно-земельных отношений Владимир Ефимов.

Штеффен Хоффманн назначен на должность Президента группы Bosch в России
19 января 2021г.

Доктор Штеффен Хоффманн (Dr. Steffen Hoffmann) занял должность Президента Bosch в России, Украине, Беларуси, Центральной Азии, Монголии и на Кавказе с 19 января 2021 года. Он сменил на этом посту Хансъюргена Оверштольца, который возглавлял регион с февраля 2016 года.

Ижорские заводы отправили компенсатор давления на АЭС Руппур
17 июля 2020г.

Ижорские заводы, входящие в Группу ОМЗ, отгрузили компенсатор давления для первого энергоблока АЭС Руппур (Бангладеш).

Все новости

Объявления

18.05.2021г.
Изготовление штампосварных изделий из листового металла

ГАЗ, ПАО

Дивизион Автокомпоненты» ПАО «ГАЗ» выпускает более 10 000 штампосварных компонентов и узлов автомобилей. Основная продукция - силовые элементы кузова, лицевые детали автомобилей, колеса, штампосварные компоненты узлов и агрегатов автомобиля. Номенклатура выпускаемых изделий: • силовые ...
18.05.2021г.
Кузнечное производство, горячая объёмная штамповка, кованые заготовки

ГАЗ, ПАО

Дивизион «Автокомпоненты» выпускает более 1200 наименований заготовок кузнечного производства (поковок). Поковки автомобильных деталей изготавливаются из углеродистых и легированных сталей. Производство имеет законченный технологический цикл изготовления поковок различной сложности, точности и конфигурации ...
18.05.2021г.
Детали, узлы и агрегаты для сборочных производств

ГАЗ, ПАО

Автокомпонентное производство ГАЗа – одно из крупнейших в стране по изготовлению штампованных стальных колес и крупнейшее в России производство ведущих и неведущих мостов. Производство деталей, узлов и агрегатов является самостоятельной высокотехнологичной ...
Все объявления