Фотоэлектрический датчик принцип работы + схемы


СОДЕРЖАНИЕ:

Фотоэлектрические датчики

Фотоэлектрические датчики – глаза автоматизированного поточного производства. С развитием автоматизации количество фирм производителей фотоэлектрических датчиков все более множится. Растет вглубь и несколько вширь номенклатура. У любого инженера-практика, занимающегося вопросами применения фотоэлектрических датчиков, глаза разбегаются при чтении каталогов «Баумер Электрик», «CEDA Danieli», «Уралчерметавтоматики», НПК «Инженер», екатеринбургского «Сенсора», Завода «Промавтоматика», «Уралметаллургавтоматики», ПКФ «Страус», «Пеппер унд Фукс», «Сименс», «Мацушита», «Нэшнл», «Sick», «OMRON», «Balluf» и других фирм. Между тем разные производители используют разные системы обозначений, разные термины, разные определения. Встает разумный вопрос: а как же сравнивать фотодатчики различных производителей? Какой фотодатчик выбрать? Часто возникает просто путаница в обозначениях: такой-то датчик – что это такое?
Мы не касаемся в настоящей статье схемотехники фотодатчиков. Не касаемся и конкретных производителей – потребитель сам может выбрать желанного производителя: с необходимой номенклатурой, с действительным дистрибьютором в регионе, поддерживающим разумные цены, и т.д. Просто зададимся тремя вопросами: что такое фотодатчик? Как применяются фотодатчики? Как можно сравнивать и выбирать датчики?
Области применения. Фотоэлектрические датчики имеют существенные преимущества перед всеми остальными двоичными датчиками. Преимущества эти хорошо известны. Фотодатчики бесконтактны, не используют вредного радиоволнового или ионизирующего излучения, детектируют (при правильной оптике) практически сколь угодно малые тела при любом материале и возможном нагреве этих тел и любой температуре окружающей среды, весьма малоинерционны, расходуют малое количество электроэнергии и могут быть разумно миниатюрны. Фотодатчики, как самые быстродействующие датчики, более любых других двоичных (дискретных, ”включено-выключено”) датчиков пригодны для целей измерения и наиболее эффективно используются чаще всего там, где есть поточное дискретное по технологии производство, и стоит задача бесконтактного измерения размеров или контроля положения тел в потоке.
Долгие годы основным объектом внедрения фотодатчиков служило прокатное (особенно же – трубопрокатное) производство. При помощи фотодатчиков измерялись и измеряются размеры проката (методом счета времени или методом деления интервалов времени) и, пересчитывая на плотность металла, теорвес проката, величина обрези, скорость прокатки и производительность стана, коэффициенты обжатия и вытяжки. Измерительные системы, опрашивающие фотодатчики, передают информацию о размерах проката системам раскроя. Прокатное производство – массовое и высокорентабельное, потери металла минимальны, поэтому точность фотодатчиков (точность раскроя) и надежность прямо влияют на рентабельность производства и металлургического комбината в целом. Однако прокатное производство довольно ”грязное”, с большими паразитными тепловыми потоками, вибрацией, ударами, тепловыми перепадами, оптическими и электрическими помехами и полями, и предъявляет настолько серьезные требования к фотодатчикам, что требования эти усложняют конструкцию и схемотехнику. Поэтому металлургические фотодатчики (”CEDA Danieli”, ”УРМА”, ”УЧМА”) далеко не всегда миниатюрны. Как правило, это датчики с ”серьезной” оптикой, металлическом заземленным корпусом, с визиром, с рубашкой или радиатором охлаждения (съемным). То же самое можно сказать о других ”металлургических” областях внедрения фотоэлектрических приборов: в частности, о литейном и кузнечном производстве. Все другие применения связаны с конвейером, с машинами, перемещающимися по рельсам, со станками, с охранными системами. Такие датчики могут быть весьма миниатюрными, ”пальчиковыми”, ”резьбовыми”. Пример – датчики производства «Омрон», «Сенсор». Специализированные ”металлургические” фотодатчики, как правило, соответствующей цены и имеют значительно лучшие технические характеристики. В тяжелых заводских условиях ”большой” и ”малой” черной и цветной металлургии необходимо применять специализированные датчики.
Сколько же нужно, например, датчиков ФГ (горячего металла) для АСУТП и информационно-измерительных систем, скажем, мелкосортного стана из трех групп клетей, катающего сортовой прокат в одну нитку? Вот пример типового стана: две нагревательные печи, два транспортных рольганга от них (2х3 датчика ФГ) и два загрузочных транспортера к ним (2х3 фотобарьера, т.к. металл в этом месте холодный и не светится), стрелка и трайб-аппарат (2+1=3 фотодатчика ФГ), измеритель длины перед черновой группой клетей (4 — 8, пусть 6 датчиков), после черновой и перед второй – такой же измеритель (еще 6 датчиков), после второй группы клетей и перед чистовой – еще один измеритель (еще 6 датчиков), эти же датчики – для отслеживания положения заготовок + еще по 2 за каждым измерителем; то же самое – после чистовой группы – еще 8 датчиков; перед холодильником – пусть, скажем, еще 3 датчика контролируют вход сортопроката на шагающие балки холодильника; итого 45 датчиков ФГ и 6 фотобарьерных датчиков холодного металла. Минимум такое же количество датчиков должно храниться в составе ЗИП стана. Кроме того, нужно иметь расходный резерв – для тех служб электропривода и КИПиА, какие проводят текущие модернизационные работы на стане. Таким образом, потребность сравнительно небольшого (однониточного без машины зачистки, без окалиноломателя и подвижных пил и т.д.) стана в фотодатчиках ФГ около 100 шт. и фотобарьерных – около 20 шт. Реализуются 4 измерителя длины после или до каждой клети, следовательно, очень точно контролируется обжатие и коэффициент вытяжки; заготовка сопровождается вдоль по всей линии стана, поддерживается высокая технологическая дисциплина. Измерители ранее использовали одноплатные компьютеры на однокристальных микро ЭВМ, в настоящее время измерители работают как задачи центрального высокопроизводительного контроллера (например, Simatic S7-300). На больших станах – фотодатчиков сотни, а всего на металлургическом комбинате парк фотодатчиков может исчисляться сотнями и даже тысячами.
Оценим точность датчиков, требуемую для нормальной работы стана. Имеется в виду, для такой работы, при какой можно гарантировать точность измерения длины раската. Пусть мы имеем на выходе мерные порезы длиной 10 метров и обрезь. Пусть точность реза 0,1% = 1 см. Соответственно разрешающая способность по полю зрения не должна быть хуже 1 см. Обычно датчик устанавливается на расстоянии 1 — 2,5 метра от проката; большее значение соответствует движению раската вдоль дальнего, противоположного края стана. Тогда поле зрения по азимуту должно составить 0,573° — 0,229°. Реально к этому значению нужно стремиться; большинство разработчиков и производителей фотодатчиков способно обеспечить значение порядка единиц градусов угла. Теперь учтем, что при движении по рольгангу прокат может колебаться, подскакивать, скажем (такое бывает), сантиметров на сорок. Следовательно, поле зрения по углу места должно составит 21,8°. Соответственно, требуется датчик с веерным лучом визирования. Такие датчики существуют. Однако реально веерные лучи имеют угловое сечение, скажем, 2°х10° – из-за технологических и экономических ограничений на цилиндрическую оптику. Теперь еще пару слов о быстродействии. Пусть скорость движения проката – рядовая, 10 метров в секунду. Тогда быстродействие датчика в 1,0 миллисекунду повлечет за собой погрешность определения размеров раската в 1 см. Видимо, быстродействия в 0,25 миллисекунды для этой скорости прокатки достаточно. Однако не нужно забывать, что существуют станы с скоростью прокатки в 30 и 50 метров в секунду. Мировой рекорд – стан на Тайване с прокаткой катанки в несколько ручьев со скоростью 88 метров в секунду. Собственно говоря, датчиков с быстродействием лучше 0,25 миллисекунд. (при обеспеченной обнаружительной способности) не так уж и много.
Оценим же теперь практическую обнаружительную способность фотодатчика. Черные металлы (стали и спец.сплавы) катают при температуре не ниже 700 — 800 °С. Однако в случае задержки стана (”забур” проката и т.д.) возможна ситуация, когда на рольганге перед клетью лежит остывающая заготовка. Если заготовка еще не слишком перестыла, ее можно вернуть в нагревательную печь и нагреть вторично; если заготовка перестыла, то вопрос ее вторичного нагрева должен решаться исходя из химико-металлургических и технологических принципов: а не выгорит ли углерод? Не выгорят ли легирующие элементы? и т.д. Особенно быстро остывают катанка и проволока. Поэтому датчик, контролирующий положение заготовки, должен иметь практическую обнаружительную способность не хуже 600 — 650°С. Для цветного проката практические обнаружительные способности должны быть такого порядка: титан – те же или чуть более высокие температуры, медь, латунь – 300 — 350°С, цинк – 270°С. Одиночные фотоэлектрические датчики на металлургическом заводе могут контролировать разбуривание летки и сталевыпускного отверстия, наклон миксера, проход чугуна и шлака, загрузку и выгрузку из колодцев, и т.д.
Вторым большим разделов промышленности, после прокатного производства, где существует поточное производство горячих тел (заготовок) и, следовательно, могли бы применяться фотодатчики ФГ (горячих тел) и вообще фотодатчики, является серийное и массовое литье. Литейный передел можно отнести к так называемой ”малой” металлургии (т.к. при нем часто происходит модифицирование и изменение химического состава и механических свойств сплава), базирующейся на машиностроительных заводах и поэтому не попадавшей в сферу автоматизации единых служб старого Минчермета Союза ССР. Между тем условия эксплуатации и физика технологических процессов малой металлургии и большой – схожа и обуславливает применение аналогичной техники.
В литейном серийном или массовом производстве существуют следующие поточные технологические линии:
1. Формовочная – линия изготовления форм; на этой линии собираются опоки, устанавливаются стержни и происходит заполнение форм формовочной (иногда и стержневой) смесью, формы сушатся; формовочная смесь поступает из смесеприготовительного отделения, например, от земледельных машин или смесительных бегунов;
2. Литейная – на этой линии происходит заливка форм одной (одним) или несколькими разливочными машинами (кранами), быть может, модифицирование сплава в непосредственно в форме (in-mould), остывание (охлаждение) форм, очистка отливок от форм, обломка литников, отделка форм пескоструйной или дробеструйной машинами. Эту же линию называют еще литейным конвейером. Остывшие отливки передаются в механический цех для обработки. Иногда разделяют эту линию на две: собственно литейный конвейер и линия отделки отливок.
Естественным образом для включения таких механизмов как разливочный кран, дробеструйный очиститель, переворачиватель мульд (форм) и т.д. нужно знать положение заготовки или формы, находящейся на конвейере. Предлагается использовать для решения такого рода задач металлургические фотодатчики холодных и горячих тел (датчики холодных тел нужны для отслеживания положения неметаллических и не столь раскаленных форм, где ”горячие” датчики и токовихревые – неработоспособны).
Поточные линии есть и в смесеподготовительном отделении литейного цеха, и, вообще говоря, могут быть и в отделении шихтоподготовки. Однако там они – не дискретны, поэтому контроль состояния таких линий фотодатчиками затруднителен. Единичное число фотодатчиков может применяться для контроля состояния плавильного агрегата и миксеров, а также разливочных машин (плавильное отделение).
Литейные заводы производят отливки из стали, чугуна, цветных металлов; есть заводы, выпускающие неметаллическое литье, но они составляют очень небольшую группу литейной отрасли и в настоящем обзоре не рассматриваются. Литейные заводы, выпускающие металлическое литье, можно разделить на три-четыре группы:
1. Литейные заводы, связанные с автотракторной отраслью и двигателестроением, в том числе дизеле и турбостроением. Такие заводы группируются при автозаводах или тракторных заводах; иногда это просто литейные цеха или комплексы, как на Заводе Турбинных Лопаток в Санкт-Петербурге. В таких случаях они подчиняются Главному металлургу или Главному Литейщику соответствующего машиностроительного предприятия.
В эту группу, например, входят Чебоксарский завод «ПромЛит» и крупнейший и современнейший в Европе, а может быть, и в мире, Камский Литейный Завод «КАМАЗ-Металлургия», оснащенный в-основном лучшей зарубежной техникой.
Заводы отливают детали двигателей, картеры, коробки передач, коробки дифференциалов, гильзы цилиндров, заготовки для кузнечного производства, буксирные гаки, педали и т.д.
2. Литейные заводы, связанные с отливкой различных товаров народного потребления (Салдинский металлургический – топоры, Нижнетагильский котельно–радиаторный – радиаторы отопления, Ижевский литейный, Песковский литейный – тоже очень большой завод – фитинги, люки и трубы, бывший Лентрублит – чугунные трубы) и предметов сантехники, канaлизации и водопровода, может быть, колосников печей, крюков кранов, стрелочных переводов и других деталей для железной дороги.
3. Литейные заводы и производства, связанные с отливкой небольшого количества весьма крупных деталей, как-то: корабельных винтов и штевней, прокатных валков, опор и корпусов гидродвигателей и водяных колес турбин, корпусов трансформаторов и масляных выключателей, башен танков и других бронемашин.. Такие литейные производства есть на многих предприятиях тяжелого машиностроения, как-то: Уралмаш, Уралвагонзавод, Уральский Турбомоторный, Завод имени Калинина, Пневностроймашина, Кушвинский Завод Прокатных Валков, Завод Нижегородский Теплоход и т.д.). Места применения фотодатчиков – единичные – как бесконтактных выключателей.
Как правило, массовое и серийное производство (литейный конвейер) сосредоточено на заводах двух первых групп. Фактически любое танкоавтотракторостроительное предприятие имеет собственное литейное производство. Кроме того, серийные отливки производят заводы, связанные с железнодорожным транспортном.
Фотоэлектрические датчики, применяемые в литейном переделе, имеют свою специфику. Во-первых, отливки могут быть и чаще всего бывают уже не светящимися, достаточно холодными. Во-вторых, не нужно большое быстродействие, т.к. не нужно измерять размеры тел, следующих в потоке. В третьих, так как размеры отливок бывают и маленькими, лучи датчиков должны быть узкими. Хорошее решение – фотобарьерные датчики с модулированным потоком или лазерные. Потребности литейных и кузнечных производств в разного рода фотоэлектрических датчиках все же многократно меньше, чем прокатных.
В плавильных цехах и отделениях (в особенности тех, где есть разного рода ванные отражательные печи, в т.ч.мартен и двухванные печи) литейных и металлургических заводов большое значение имеет контроль положения шиберов и затворов клапанов. Вся автоматика управления ходом плавки в мартене или двухванной печи ориентирована на своеременную перекидку больших клапанов газа, дыма и воздушного дутья. Такие же шиберы и клапаны есть на нагревательных печах прокатного и кузнечного производств, на кауперах домен и воздухонагревателях вагранок. Элементы конструкций клапанов нагреваются настолько, что контроль индуктивным (токовихревым), емкостным или герконным датчиком невозможен, а контактным – затруднен и ненадежен. Бесконтактный лазерный фотобарьерный датчик (или катафотный фотодатчик), расположенный в охлаждаемой комфортной зоне и не подвергающийся столь тяжелым условиям эксплуатации, легко решит эту проблему. Система управления мартеновской печью может потребовать несколько десятков таких датчиков.
Третьей областью, третьим металлургическим переделом (также малой металлургии), где также могли быть использованы (и используются) фотодатчики, является массовая ковка, кузнечное упрочнение металла с изменением формы. Существуют при автотракторотанкостроительных предприятиях кузнечные заводы: Камский кузнечный завод, кузнечный завод при «УралТрак–ЧТЗ», кузнечное производство при Владимирском тракторном, и т.д. Например, литые заготовки поршней, колец, цилиндров, опор и т.д. прямо с литейного завода (горячими) попадают на кузнечный в рамках одно и того же машиностроительного ПО. Барьерные датчики могут применяться для контроля положения молотов и ковочных машин. Ковка есть и на заводах ”большой” металлургии – например, на заводах «ДнепроСпецСталь», «Уральская Кузница» (Чебаркуль), ВСМПО.
Специфика датчиков для ковочного передела – архинадежность, виброзащищенность, высокое разрешение, узкий луч визирования, гарантированная защита от микрофонного эффекта.
Наконец, датчики могут применяться для ограничения доступа к машинам и механизмам, систем охраны и безопасности. В охранных системах открытых территорий фотодатчики начинают вытесняться микроволновыми, работающими независимо от атмосферных условий.
Историческая справка. Первые идеи о массовом применении фотодатчиков в русской металлургии рождены в 30-хх гг. ХХ-века. До этого прохождение горячего металла сопровождалось электромеханическими контактными датчиками, например, свисающими цепями, замыкающими на прокат электрическую схему; недостатками таких датчиков были: большая инерционность, оплавление или приваривание цепи, повреждение проката цепью, обрывы цепей, и т.д. Отечественная теория прокатки насчитывала к тому времени полтора-два десятилетия (с момента выхода широким тиражом книги В.Е.Грум-Гржимайло «Прокатка и калибровка»), ненамного старше была и вообще вся радиотехника. ИК-технологии и радиолокация только рождались. Легенда связывает появление отечественных фотоэлектрических систем со знаменитой Магниткой: релейные станции управления прокатными станами следовали железной дорогой через Свердловск и были осмотрены уральскими радиолюбителями и инженерами; после Отечественной войны в Свердловске возникли предприятия, занимающиеся автоматизацией прокатного производства; именно они и послужили колыбелью ”гражданской” ИК-локации. 50-е гг. ознаменованы созданием линейки фотореле на фотосопротивлениях с МДМ-усилителем: ФГ, ФГМ, ФРС, ФРСУ. Развитию фотоэлектрических датчиков в России много содействовал выдающийся конструктор и ученый-практик Л.Н.Тетиор. В этой же области работали известные инженеры А.П.Васильев (астроном по образованию), С.М.Гордеев, Джмухадзе, почетный изобретатель России к.т.н. О.Н.Мельников. К 1980-м г. сформировались основные идеи схемо и системотехники фотодатчиков, используемые и доныне совершенно различными предприятиями. Центром оптической технологии измерений длин в русской металлургии является Екатеринбург: только в Екатеринбурге ныне существуют минимум 5 гражданских предприятий, производящих фотоэлектрические датчики; это не считая заводов ВПК; существует производство фоторезисторов. К рубежу веков инженерная мысль распространила на фотодатчики терминологию и теорию радиолокации; тогда же произошло рождение термина ”системы ближней локации” (авторы фразы – военные инженеры и московские ученые, занимающиеся проблематикой наведения систем точного оружия).
Фотоэлектрические датчики также могут применяться на конвейерах машиностроительных заводов, в частности, датчики ФГ (горячего металла) – как было сказано выше, на кузнечных заводах производственных объединений, там, где есть массовая ковка, на поточных линиях обработки резанием; в упаковочной промышленности; для счета изделий огнеупорных производств. Кроме того, барьерные фотоэлектрические датчики могут применяться для контроля положения кранов, составов и других машин, перемещающихся по рельсам.
Кратко перечислим основные виды фотоэлектрических датчиков, применяющихся в промышленности, аббревиатуры и названия таковых.

Семейства фотоэлектрических датчиков.

Терминология. Фотоэлектрический датчик, или коротко: фотодатчик – это специальное фотоэлектрическое устройство (система) с заявленными производителем и нормированными характеристиками, используемое для определения физических признаков (например, чаще всего: наличия тела в зоне контроля; реже: наличия освещения) и величин (температуры, положения, скорости, яркости, цвета, облученности и т.д.). Различают простые фотодатчики и фотодатчики специального назначения. К простым фотодатчикам относят одноканальные датчики, не имеющие встроенного вычислительного устройства или сложной оптики. Датчик, имеющий релейную характеристику, называют фотореле. Есть и второй, также иногда используемый, смысл термина ”фотореле”: устройство без заявленных и гарантированных производителем характеристик. 99,5% всех серийных фотодатчиков – это простые фотодатчики, фотореле. В сложные датчики попадают фотоэлектрические яркостные и спектральные пирометры, корреляционные оптические скоростемеры, пеленгаторы, датчики пламени, светодальномеры, лазерные триангуляторы, ПЗС–камеры и линейки, распознаватели, персептроны и другие сложные оптико-электронные устройства. Термин ”фотоэлектрический” предшествовал более правильному ”оптико-электронный” и закрепился исторически.
Некоторые производители называют такие датчики ”оптическими” или ”оптическими бесконтактными выключателями”. Связано это с нестандартизованностью характеристик датчика и методов поверки. «Сенсор»: «Бесконтактные выключатели являются низковольтными приборами управления для контроля положения или размеров объекта — Оптический бесконтактный выключатель фиксирует объекты, которые отражают или прерывают оптическое излучение, и содержат полупроводниковые коммутационные элементы». Существуют датчики других производителей, регистрирующие собственное излучение раскаленных тел (датчики ФГ, о них – ниже).
Теория действия. Разумно информативно фотодатчики описываются при помощи геометрической оптики и теории радиолокации (активной – рефлексные и барьерные датчики, и пассивной, или радиотеплолокации, – датчики горячих самосветящихся тел) включая теорию обнаружения, теорию разрешающей способности с соотношениями неопределенности, теорию аналоговой обработки сигналов, теорию оптимальной фильтрации Винера. Таким образом, фотодатчик – это очень простой, примитивный локатор инфракрасного или видимого диапазона длин электромагнитных волн. У него есть антенная система = оптическая система + фотоприемник, приемно-усилительный тракт = фотоусилитель тракта, решающее устройство = компаратор, и вторичное оконечное устройство = цепи интерфейса. Все как у ”настоящего” ”большого” радиолокатора. Сходно и основное назначение: определить местонахождения цели – обнаруживаемого тела. Различие в методике определения: информационная система, использующая фотодатчики, обычно измеряет расстояния и длины косвенными и триангуляционными методами.
Фотодатчик горячих тел. Иногда говорят: фотодатчик горячего металла, фотодатчик горячего проката. Это не совсем верно, т.к. фотодатчик успешно регистрирует и накаленные до самосвечения в ИК-диапазоне неметаллические тела, и уж конечно, не только прокат.
Применяется для обнаружения, определения положения и индикации наличия в зоне контроля накаленных (самосветящихся) тел.
Аббревиатура – ФГ, закрепилась исторически с тех времен, когда датчики (по старой терминологии – ”фотореле с усилителем”, ФРСУ) состояли из раздельных фотоголовки ФГ с оптическим узлом и фотоприемником, и блока усилителя БУ. Варианты: фотодатчик с отсечкой факела, широкоугольный фотодатчик, ”низкотемпературный” фотодатчик.
Фотодатчик с отсечкой факела нужен для трубных станов горячей прокатки: углерод в стали трубы, смазка (соль и мазут), легирующие примеси окисляются до летучих газов, через метр-полтора (обычно) за раскаленной заготовкой, следующей в потоке, облако летучих газов вспыхивает: факел. Датчик должен реагировать на трубу и не реагировать на факел. Фотодатчик с широким лучом визирования необходим для холодильников, широких транспортных рольгангов и тех станов и переделов, где возможны подскоки или иные значительные поперечные перемещения лоцируемых тел (целей). Требования к нему уже оговорены выше. ”Низкотемпературный” датчик – вариант ИК-фотодатчика горячих тел, нагретых до температуры 270 — 480°С; такие датчики есть на станах ”теплой” прокатки черных и цветных металлов, в промышленности, изготавливающей заготовки и детали из цветных металлов, и т.д. Датчик отличается типом фотоприемника и усилением в тракте: оно обычно больше, так как учитывается, что тела-цели при таких температурах обычно более светлые. Эти три типа фотодатчиков можно отнести и в специальные.
Рефлексный фотодатчик (ФР). Применяется для обнаружения, определения положения и индикации наличия в зоне контроля тел, не имеющих самосвечения. Старое неправильное название – ”фотодатчики холодного металла” – отражало историчность применения таковых для измерения размеров изделий и заготовок в потоке на станах холодной прокатки (в частности, труб) и волочения. Старые аббревиатуры – ФХ, ФШ.
Возможны варианты: 1) работа на отражение от светлого диффузно-отражающего тела (рефлексный фотодатчик диффузный, ФРД, или, по терминологии «Сенсора», «тип D») и 2) работа на отражение от световозвращателя: катафота, триппель-призмы или иного уголкового отражателя. Уголковый отражатель имеет два замечательных свойства: во-первых, возвращать луч в точку испускания, во-вторых, поворачивать угол (линейной) поляризации на 90°. Второй вариант предполагает прерывание отраженного луча лоцируемым телом; естественно, лучи, отраженные прямо от тела, не должны приводить к срабатыванию датчика. Т.е. должна быть какая-то селекция типа лучей, отмечающая их характеристики: времяимпульсная, поляризационная, корреляционная и т.д.; реально применяется поляризационная по изменению угла линейной поляризации, поэтому такие датчики обычно называют рефлексными фотодатчиками с поляризованным светом ФРП и более обще – катафотными фотодатчиками, КФ, ФК. Некоторые западные производители называют датчики типа ФРД просто рефлексными, а типа ФРП – ретрорефлексными, что вроде бы и правильно, и несуразно для русского мыслящего уха, так как переводится – ”отражательные” и ”возвратно-отражательные” – о чем это? Терминология ФРД и ФРП (ФК) кажется более краткой и удачной. «Сенсор» называет такие датчики «выключателями типа R».
Барьерные фотодатчики. Фотодатчики с разнесенным приемником и излучателем лучистой энергии (следуя «Сенсору», «тип T»). Идеологически это самые правильные и совершенные датчики. Приемник и источник могут быть очень простые. Применяется для точного контроля пересечения фотобарьера – линии, соединяющей приемник и источник. Практически всегда лучше рефлексных датчиков решают реальные задачи локации. Иногда такие датчики так и называются фотобарьерами или лазерными барьерами (если используют лазерное излучение). Аббревиатура – ФБ, главное применение – бесконтактные путевые выключатели и измерительные системы (маркеры привязки), охранные системы. Барьерные датчики очень большой дальности действия иногда называют фотопериметрами и применяют в охранных системах. Комплексы фотобарьерных датчиков, заграждающих доступ к опасному работающему оборудованию, называют светоохранными решетками. Самые быстродействующие из барьерных датчиков – лазерные барьеры с постоянным (без модуляции) потоком: необходимое соотношение сигнал/помеха обеспечивается концентрацией энергии в пучке, а узкие размеры пучка обеспечивают большую облученность (освещенность) фотоприемника и, следовательно, малое усиление в тракте = высокое быстродействие.
Барьерные датчики могут быть с модуляцией потока излучения и без. Во втором случае, как замечено выше, принципиально достигается более высокое быстродействие. Соответственно, поток энергии от излучателя должен многократно превышать поток от фона (небо, освещение, прокат, пламя); реально такое достижимо только в лазерных системах. Разрешение лазерного барьера самое высокое, самое точное, и практически не зависит от расстояния; дальность действия – до сотни метров; наведение крайне простое – по пятну на приемнике; так как сигнал на приемнике большой, усиление тракта может быть малым – следовательно, быстродействие – огромным. Лазерный фотобарьер – простой и надежный датчик будущего.

Характеристики фотоэлектрических датчиков.

Система технических характеристик фотодатчиков, обычно приводимых в технических паспортах и таблицах каталогов, у всех производителей изложена так, чтобы потребитель выбирал фотодатчик без какого-либо оптического или иного сложного расчета, лишь трезво проанализировав место будущей установки. У фотодатчиков горячих тел одной из главных характеристик, а точнее, главнейшей характеристикой является практическая обнаружительная способность, т.е. такая, при каковой сохраняются все остальные характеристики датчика – и по реальному накаленному телу. Приводится она обычно в °С, оговаривается при полном заполнении угла зрения. Так как на реальных дальностях бугеровым ослаблением потока в воздухе можно пренебречь, можно сказать, что фотодатчики ФГ способны работать на любых дальностях, лишь бы было полное заполнение поля зрения. Естественно, датчик может работать и не при полном заполнении поля зрения (с ухудшении обнаружительной способности).
У рефлексных и барьерных фотодатчиков аналогом служит дальность действия. Для рефлексных – по оговоренной стандартной цели (катафот обычно диаметром 52 — 56 мм, или ”белая” пластина – металлическая или же лист бумаги). Так как оптика таких датчиков редко бывает совмещенной (приемник и излучатель используют разные линзы, например), датчики могут иметь мертвую зону; тогда говорят о контролируемой зоне. Например, обычные характеристики: 0,1 — 16 м для датчика ФРД или ФРП; 0,02 — 35 м для датчика ФБ и т.д.
Второй по степени важности характеристикой является ширина луча визирования (ранее называлась углом зрения; это неверно, так как угол зрения отсчитывается от какой-то директивы; правильнее говорить, поле зрения). Она определяет разрешение датчика на конкретном расстоянии. Часто оговаривается: по уровню 0,1, по уровню 0,5; по уровню 0,707 (половинной мощности) от максимальной амплитуды сигнала; для датчиков горячих тел это единственное правильное определение, так как момент срабатывания и отпускания зависит от свойств цели: яркости свеченния, температуры нагретого тела — Эквивалентая величина, более удобная для пользователя, – показатель визирования: отношение диаметра пятна луча на некоторой дальности к этой дальности. Для барьерных датчиков – просто максимальный диаметр пятна.
Как правило, с завода фотодатчики выпускаются съюстьированными на бесконечность или на дальнюю границу зоны контроля.
Третьей по важности характеристикой является время реакции датчика на воздействие: время включения и время выключения. Именно эти времена определяют точность измерительной системы, использующей фотодатчики для вычисления длины изделия, следующего в потоке, или положения его. Подразумеваются, что изделия в потоке следуют с реальной скважностью, т.е. достаточно редко, чтобы за период паузы датчик успел выйти из насыщения. Чем меньше каждое из времен, тем лучше измерительная система (так как система может отслеживать не только вход изделия на мерную базу, но и сход с базы). Только для целей, непрерывно следующих друг за другом, оговаривается т.н. ”сквозная частота”. Она существенно меньше, чем обратная величина к сумме приведенных времен включения и выключения, так как при постоянном следовании целей-изделий друг за другом выходной каскад и/или компаратор датчика не успевают выйти из состояния насыщения. Типовые значения для металлургических датчиков ФГ (ФГ–80–х , ФГ–10х): сквозная частота во всем диапазоне температур окружающей среды и индицируемых тел, Гц, не менее 2000;. времена переключения, мс, не более: время включения 0,12 время выключения 0,25
Для датчиков ФБ достижимы такие же и лучше характеристики, для датчиков ФРД, ФРП эти значения лежат в пределах 1 — 2,5 мс.
Четвертой и пятой характеристикой служат напряжение питания (и потребляемая мощность) и схема интерфейса. Подключение датчика не должно вызывать технологических проблем: то напряжение питания, какое есть на объекте, и те же уровни выходных сигналов, какие есть в системе управления. Обычная схема ОК n-p-n выхода стала вытесняться OK p-n-p схемой, более просто стыкующийся с общепринятыми технологическими контроллерами и двухпроводной схемой (стандарт NAMUR), использующей цепи интерфейса как цепи питания и упрощающей монтаж. Нужно помнить, что обычно NAMUR-датчики менее быстроходны. В последнее время распространена схема ”активный выход”, позволяющая подключить нагрузку к любому полюсу питания. Гальваническую развязку последние годы предпочитают организовывать не на стороне датчика, а на стороне контроллера. Релейный выход в датчике обычно не нужен, а нужно, чтобы выходная цепь при необходимости могла привести в действие стандартное промежуточное реле РП-21, МКУ-48 и т.д.
Шестой и седьмой характеристикой являются углы наведения датчика по азимуту и углу места, восьмой важной характеристикой – тип посадочного места и присоединительные габариты, девятой – класс IPxx-защиты, десятой и очень важной – наработка на отказ, одиннадцатой – массогабариты датчика. Дополнительными, не всегда оговариваемыми характеристиками, служат сведения о устойчивости к оптическим (фоновая засветка для рефлексных и барьерных датчиков, критичные углы мешающих засветок для датчиков ФГ) и электромагнитным помехам, тип корпуса, тип охлаждения и т.д.
Порядок важности той или иной характеристики – неформальный, это авторская экспертная оценка. Иному заказчику может потребоваться приоритетное быстродействие, иному – сверхмалые габариты (например, для встраивания датчика в какую-нибудь большую машину или станок).

Какой фотоэлектрический датчик выбрать?

Наверное, для отечественных применений современный фотодатчик должен иметь простое и безопасное питание (12, 24 или 27В постоянного тока, т.е. сразу же отпадают все часто навязываемые модели 220В и 127/110В ряда или с универсальным питанием – зачем переплачивать за встроенный и недешевый DC/DC-конвертер?), простой и разумно мощный интерфейс подключения (т.е. отпадают NAMUR-датчики и на первое место выдвигается схема ”активный выход”), с классом защиты не хуже IP54 — IP65, с хорошей наработкой на отказ, миниатюрные, с хорошей оптикой. Стекла оптики должны быть защищены от пыли и росы тубусом или хотя бы козырьком. Желательно, чтобы производитель был известным, а еще лучше – чтобы на рынке был доступен второй производитель. Присоединительное (посадочное) место должно быть стандартным. Если датчик используется для измерения размеров тел, следующих в потоке, или для регистрации быстро перемещающихся тел, важное значение принимает быстродействие датчика. При прочих равных условиях, как правило, датчик с большими габаритами оптики – лучше. Эксплуатационная документация должна быть полной: гарантия пройдет, а фотодатчик работает не менее 5 — 6 лет, а то и больше. Для промышленных применений предпочтительнее заземляемый металлический литой корпус.
Практически все задачи измерения размеров проката лучше решать лазерными фотобарьерами. Так еще не принято, но, видимо, так будет в недалеком будущем. Преимущества: независимость от температуры проката, огромное быстродействие, сверхсжатая разрешающая способность, простота наведения и обслуживания. Кроме того, фотоприемник лазерного излучения может быть настолько простой, что практически не потребляет энергии, кроме как от цепи интерфейса; это открывает дорогу быстрым, легким и дешевым NAMUR-датчикам.
Предположим, вы рассчитываете решить какую-то практическую задачу контроля при помощи фотоэлектрических датчиков. Что вы должны помнить?
Прежде всего, как ни странно, нужно оценить схему измерения: возможно ли применение фотобарьера? (Есть ли доступ к контролируемому телу с двух сторон?) При прочих равных условиях фотобарьерные датчики лучше по соотношению сигнал/помеха в тракте и по быстродействию. Речь, конечно, идет о хорошем современном фотобарьерном датчике, так как большинство рядовых фотобарьерных датчиков имеют быстродействие примерно 100 Гц без указания времен включения и выключения. Достаточно ли узок (широк) луч фотобарьера? Если есть подходящий фотобарьерный датчик, имеющий требуемое быстродействие (для измерительных систем таковое в 100 — 300 раз лучше указанной ранее величины), и существует возможность его установки и обслуживания, задачу можно считать решенной. Если нет – остаются следующие вопросы. Светится ли контролируемое тело? Как (видимый свет? ИК-лучи?) Если не светится, какая отражательная способность? Датчик горячего металла ФГ и диффузно-рефлексный датчик ФРД нужно применять только тогда, когда невозможно использовать фотобарьер или катафотный датчик ФРП. Датчик ФРП нужно применять тогда, когда за телом можно разместить световозвращатель, но невозможно провести электропитание, цепи интерфейса и организовать обслуживание. Если катафотному и фотобарьерному датчику мешают гарь, пыль и дым, а тело – горячее, есть смысл использовать датчики горячих тел ФГ. Теперь, когда идеологически вид датчика выбран, остается выбрать марку-номинал из гаммы производителя, согласно требуемым техническим характеристикам. Нужно, однако, ЗНАТЬ, что на пути повышения точности датчиков стоит фундаментальное ограничение (эффект микромира, натурально наблюдаемый на макроуровне) – соотношения неопределенности.

Соотношения неопределенности. Помехи.

Соотношения неопределенности. Как и в радиолокаторе, невозможно одновременно получить сверхразрешение по дальности (длине проката, например), и скорости. Опуская апелляцию к квантовой механике, приведем пример на макроуровне физики. Разрешение по длине требует узкоугольной оптики, что реально только при диафрагмировании фотоприемника = большом усилении в тракте. Как известно, усилитель не может иметь одновременно произвольно большие полосу пропускания и усиление; для усилителей с отрицательной обратной связью по напряжению величина, равная произведению полосы на усиление, остается постоянной и называется качеством системы. Следовательно, диафрагмируя фотоприемник до материальной точки и улучшая тем самым разрешение по углу (а триангуляцией, следовательно, и по дальности), мы уменьшаем предельно возможное быстродействие, т.к. нам нужно большее усиление, чтобы привести сигнал с меньшей апертуры фотоприемника к уровню пересечения порога компаратора. При каком-то разрешении мы можем получить недопустимо медленную реакцию датчика. Правда, обычно производитель датчика нормирует его быстродействие для самого плохого случая (т.е. для предельного усиления в тракте). Аналогично же соотношение ”обнаружительная способность – быстродействие”.
То же самое, что было сказано для усилителей тракта, справедливо и для фотоприемников. Обнаружительная способность фотоприемников с увеличением частоты модуляции падает обычно пропорционально корню из частоты. Соотношения неопределенности учитываются разработчиком. Потребитель же не должен требовать от производителя датчиков с нереализуемыми характеристиками.
Помехи и шумы. Важным моментом, обычно выпадающим из поля зрения работников, непосредственно привязывающих фотоэлектрические устройства к реальному производству, являются шумы и помехи. Помехи и шумы ограничивают практическую обнаружительную способность или дальность действия и обуславливают наличия в схеме датчика инерционных усредняющих элементов, снижающих быстродействие. У фотодатчиков помехи могут быть активными и пассивными, электрическими и оптическими, внешними (Солнце, блики от нагревательных печей, факел за прокатом, люминесцентное освещение, брызги от пил и ножниц горячего проката, окалина, дым, водяной пар, электромагнитное излучение, вибромикрофонный эффект) и внутренними (тепловые шумы, шумы от модуляторов и демодуляторов и цифровых узлов схемы – это т.н. ”шум с предсказуемым распределением”, дрейфы, шумы ”1/f,” протекание, т.е. прямое прохождение света от излучателя в приемник, и т.д., паразитные электрические обратные связи от передатчика и т.п.). Следовательно, нельзя (тем более за долгий срок работы и за многие миллионы переключений) рассматривать фотодатчик как прибор бинарной логики, но правильно представлять обнаружителем сигналов в определенного рода помехах. Из такой оценки вытекают следующие выводы:
1.Возможны ошибки 1-го и 2-го рода, т.е. пропуск цели и ложная тревога, и вероятности таких ошибок не равны нулю, как бы исчезающе малыми ни казались;
2.Эти ошибки могут привести к нештатной ситуации и производственной аварии; а так как фотодатчики применяются и в очень ответственных местах, то цена аварии может быть недопустимо велика (простой большого завода, загрязнение окружающей среды, потеря человеческих жизней);
3.Чтобы такого не случилось, ответственные места должны оснащаться дублированными и троированными датчиками, а еще лучше – группой датчиков с мажорирующим устройством;
4.Система управления или измерительно-информационная – должны быть наделены чертами искусственного интеллекта, например, нечеткой логикой, адаптацией;
5.и лучше всего, если бы в ее разработке, наладке, внедрении участвовали не только заводские специалисты, но и профессионалы соответствующих инжиниринговых фирм и/или представители производителя датчиков.

Обычно помехи есть всегда и много больше собственных шумов усилительного тракта датчика. Естественным образом помеховая обстановка учитывается (не всегда количественно) при проектировании датчика. Нельзя забывать о ней и при эксплуатации. Специфика заводских помех в том, что это, как правило, сильно коррелированные помехи, воздействующие часто не только на конкретный датчик, но на систему в целом или на ее часть. Коррелированные помехи могут быть подавлены эмпирическими детерминированными процедурами. Например, помеха от факела за прокатом бланкированием тракта датчика после выключения на известный период, помеха от пил – общим бланкированием системы, и т.д.
Измерительная позиция. Улучшить помеховую обстановку, если она действительно тяжелая (пар, блики, дым), реально при правильной подготовке измерительной позиции. Можно оградить блики экранами или корректно выбрать ход лучей визирования, так, чтобы блики не попадали в луч. Организовать отдув пара/дыма. Изменить расположение трасс силовых кабелей и заземления. Изменить схему заземления. Установить экраны на устройства, создающие сильные электромагнитные помехи. Очень важен ход трасс лучей на измерительно позиции.
Мы сознательно не рассматривали волоконно-оптические датчики. Физика работы таковых не отличается от прочих фотореле. Исключение: потери в световоде могут ограничить дальность действия или практическую обнаружительную способность. Не рассматривали и т.н. ”сложные” фотоэлектрические датчики: роль пирометров или сигнализатор факела пламени общеизвестна, а системам контроля размеров или положения на основе развертывающих (телевизионных и подобных) структур нужен развернутый обзор, выходящий за рамки настоящей статьи, посвященной ”простым” фотодатчикам. Последние же успешно решают большинство задач технического зрения, возникающих при автоматизации поточного производства, в т.ч. и на металлургических заводах ”большой” и ”малой” металлургии. Фотоэлектрические датчики – самые совершенные из простых дискретных датчиков. Самыми перспективными из фотоэлектрических датчиков являются лазерные фотобарьеры.

2 thoughts on “ Фотоэлектрические датчики ”

Очень интересная статья, спасибо. Мне очень интересна информация о фотодатчиках с отсечкой факела. Такие в природе существуют? Какой у них принцип действия?

ROTA-SONDE DC2000F — специальная модель сканирующего детектора горячего металла DC2000. Эта модель имеет специальный оптический фильтр, позволяющий сенсору быть невосприимчивым к пламени исходящему из трубы во время горячей прокатки и тем самым повышает точность детектирования в технологическом процессе.

Устройство и принцип работы фотореле. Что такое фотореле и схема его подключения

Фотореле является таким устройством, которое имеет выносной или встроенный сумеречный датчик, который можно подключить в цепи любых осветительных приборов. Он реагирует на степень освещения и подает сигналы в релейную схему. Когда реле замыкается освещение будет включаться, а когда размыкается – освещение будет отключаться днем. В этой статье разберем, что такое фото реле и для чего оно необходимо, принцип действия фотореле, а также какова схема подключения фотореле.

Как выбрать?

Для того, чтобы правильно подобрать и подключить устройство своими руками, например, к прожектору, необходимо знать какой вам тип датчика необходим и какой будет наиболее удобным. Они бывают встроенные и выносные. При выборе обязательно нужно будет учитывать токовые характеристики устройства. Они обладают своими ограничениями в коммутации по току, выраженные в амперах.

Как оно работает?

Устройство обладает светочувствительным элементом, который является постоянно включен в схему осветительного прибора и имеет питание. Этот элемент постоянно проводит измерение уровня освещенности (день – ночь) там, где это необходимо. Установка фотореле предполагает, что реагирующий на уровень освещения прибор будет подавать сигналы на реле: при замыкании – будет включать осветительный прибор, а во время размыкания контактов – отключать.

Структурная схема

Чтобы понять принцип работы фотореле необходимо разобраться с его составными частями. Среди конструктивных элементов могут быть следующие элементы:

  • Датчик (светочувствительный) – реагирует на изменения степени освещенности;
  • Датчик (фотоэлемента) – реагирует на изменения силы тока;
  • Усилитель для электрического тока;
  • Реле – коммутирующий элемент в устройстве.

Особенности конструкции

Обычные устройства, предназначенные для малых светильников, чаще всего производятся одним блоком в пластиковом корпусе. Они имеют возможность закрепления на стенах или подключения к светодиодному светильнику с задней стороны.

Если подключить светильники, мощность которых превышает мощность фотореле своими силами установленного, то цепь должна коммутироваться через магнитный пускатель или современные контакторы на соответствующую нагрузку.

Более сложные варианты производятся из двух составляющих – измерительно-коммутационного устройства и выносного фотоэлемента. Измерительный блок располагается непосредственно в электрическом щите.

Установка фотореле, снабженного реакцией на движение, то необходимо учитывать требуемый обзор контролируемой территории. Несколько светильников на одну выходную группу прибора можно подключить по параллельной схеме.

Основная масса моделей снабжены помехозащитой от ложных срабатываний, т.е. выдержкой времени. Однако, не смотря на это, подключение фотореле для уличного освещения следует производить подальше от других искусственных источников света во избежание эффекта мигания ламп.

Принцип работы

Простая схема фотореле проводит замеры освещенности при помощи одного из элементов:

  • Фототранзистора;
  • Фоторезистора;
  • Фотосимистора;
  • Фотодиода;
  • Фототиристора.

Схема фотореле для уличного освещения в качестве чувствительного элемента, воспринимающего силу света, предполагает наличие p-n переход, создаваемый на стыках разных полупроводниковых металлов, обладающих p- и n – проходимостями. Этот переход, в свою очередь, и вырабатывает электрический импульс во время попадания на него света.

Сопротивление фоторезисторов будет зависеть от силы светового потока.

Фотодиоды будут формировать электрические импульсы, которые станут соответствовать интенсивности светового потока за счет действия фотовольтаического эффекта.

Фототранзисторы являются аналогами обычных биполярных транзисторов и выполнен как оптоэлектронный полупроводник. В подобном устройстве часть базы подвергается воздействию света для осуществления регулирования выходного электрического сигнала.

Фототиристоры предназначаются для деятельности в цепях постоянного тока. Изготовлен оптоэлектронным полупроводником, который обладает структурой обычного тиристора. Включается в работу от появления тока от светового потока, направляемого на светочувствительную матрицу элемента.

Фотосимистор предназначен для работы в цепях переменного тока. Он упрощенно может быть представлен как конструкция из 2 фототиристоров, каждый из которых будет реагировать на отрицательную или положительную составляющую полупериода гармоники. У него специальная схема будет заниматься синхронизацией тока для передачи на управляющий электрод.

Технические данные, влияющие на выбор

Ниже приведены основные параметры, которые будут оказывать влияние на выбор и подключение фотореле для уличного освещения:

  • Номинальное напряжение устройства.

Обращаем внимание! Импортные устройства могут быть предназначенными для работы с другими уровнями напряжения. Так они могут быть рассчитаны на 110 или 127 Вольт, а это может не позволить нормально работать в нашей сети 220 Вольт.

  • Потребляемая мощность и тепловая нагрузка светильников. Эти нагрузки выходные контакты устройства должны с уверенностью выдерживать.
  • Условия работы устройства, которые будут влиять на выбор конструкции и степени защиты:
  • Атмосферные осадки;
  • Попадание пыли и инородных предметов;
  • Перепады температур;
  • Уровень светочувствительности и степень настройки момента срабатывания;
  • Типы подходящих светильников. Здесь стоит сказать, что обычные модели, смонтированные своими руками, предназначаются для подключения и работы с активной нагрузкой, которая создается галогенными лампами и лампами накаливания. А вот, например, энергосберегающие и люминесцентные, а также другие подобные типы ламп, вырабатывают реактивную часть нагрузки. У подобных видов ламп во время запуска происходит бросок пускового тока, а это может пожечь контакты устройства.

Схема подключения

Чтобы разобраться, как подключить фотореле к освещению необходимо внимательно изучить само изделие или упаковку. На них собственно и должна быть приведена схема подключения фотореле для уличного освещения. Выводы из устройства снабжены проводами с различным цветом изоляции. Это необходимо для исключения ошибок при подключениях. Сделать вывод о их назначении просто, если знать информацию о цветовой маркировке. Из прибора выведено 3 провода:

  • Черный – обозначает фазу;
  • Зеленый – нулевой провод;
  • Красный – коммутируемая фаза, идущая к светильнику.

Итак, как подключить фотореле к освещению? До начала выполнению работ по подключению необходимо изучить прилагаемую инструкцию. Для того, чтобы соединить провода следует использовать распределительную коробку, которую можно установить рядом на стенке.

Нагрузка коммутируется путем прерывания фазного провода. За счет этого происходит подача и исчезновение напряжения. Зеленый провод (ноль) подключается для обеспечения работоспособности.

Будем надеяться, что статья полностью помогла разобраться в том, что это фотореле и как подключить датчик света для уличного фонаря. Если еще останутся вопросы, то смело задавайте в комментариях.

Для того, чтобы фонарь на улице или около дома работал только тогда, когда это на самом деле надо, а вам не приходилось тратить лишние деньги нужно всего лишь купить фотореле для освещения. Это простое устройство, по сути, представляет собой датчик, включающий и отключающий освещение в зависимости от текущего уровня естественной освещенности. Причем, если купить современное сумеречное реле, то можно настроить его таким образом, чтобы ваши средства не тратились еще и в ночное время, когда освещение никому не требуется.

Типы фотореле для уличного освещения

Фотореле уличное принято различать:

  • по способу управления (автоматические, с принудительным отключением, с ночным энергосбережением, программируемые); по типу нагрузки (фотореле «день ночь», работающие с лампами накаливания, а также галогенными, люминесцентными, светодиодными, напряжением питания 12 и 220 В).

Организуя управление освещением на фотореле, учтите, что это устройство должно соответствовать по мощности используемым источникам света, а также иметь защищенный вариант исполнения. Различают электронное фотореле внутренней и наружной установки. Во втором случае нужно брать влагозащищенное фотореле, цена которого немного больше, но зато оно может работать в широком температурном диапазоне и не боится влаги и пыли.

Почему стоит купить фотореле в нашем интернет-магазине:

  • Около 2.000 пунктов самовывоза по всей России.
  • Огромный выбор — разумные цены!!
  • Оплата нал, бн, карты.
  • Сеть магазинов рядом с домом.
  • Доставка курьером, EMS.
  • Профессиональная консультация на сайте.

Фотореле, лидеры продаж:

Поможем с выбором фотореле и таймера

Простое фотореле с таймером обеспечит вам экономию электроэнергии, так как уличное освещение будет работать только тогда, когда оно на самом деле нужно. Мы настоятельно рекомендуем покупать продукцию авторитетных производителей, проходящую тщательный контроль на производстве и гарантированно работающую на протяжении всего срока службы при соблюдении условий эксплуатации.

Каждый электрик должен знать:  Подключение духового шкафа инструкция + фото

Сумеречные реле применяются для управления системами освещения лестничных клеток, витрин и вывесок, фонарей уличного освещения. Основным элементом фотореле является датчик освещенности. В зависимости от варианта исполнения он может быть выносным или встроенным в корпус устройства. В нашем магазине представлены фотореле различных ценовых категорий. Самые простые не имеют возможности регулирования уровня освещенности, при котором будет включаться освещение, а срабатывают строго в соответствии с установленными разработчиком параметрами. В более сложных устройствах такая функция предусмотрена.

В зависимости от типа установки существуют два типа фотореле: модульные и для монтажа на поверхность. При покупке также надо учитывать, тип датчика освещенности и корпуса реле. Если планируется устанавливать датчик на улице, то уровень его защиты должен быть не меньше IP65. Если вы покупаете реле со встроенным датчиком освещенности, то его корпус также должен иметь защиту IP65. И конечно, важен такой параметр, как номинальная мощность, на которую рассчитано данное реле.

Если вы сомневаетесь в выборе или хотите уточнить характеристики конкретного типа фотореле, планируемого к применению, обратитесь при оформлении заказа к нашим онлайн-консультантам, они проконсультируют вас по всем тонкостям применения, характеристикам, схеме монтажа и особенностям эксплуатации. Правильно выбранное фотореле, соответствующее по мощности, типу нагрузки и другим параметрам используемым источникам света, будет работать по принципу «поставил и забыл», вам потребуется только один раз настроить режим его работы.

Если вы хотите, купить щиты, шкафы, боксы в интернет-магазине, тогда вам сюда. Огромный выбор — разумные цены! Оплата нал, бн, карты. Сеть магазинов рядом с домом. Доставка курьером, EMS, PickPoint. Профессиональная консультация на сайте. Бесплатная доставка в пределах МКАД заказов от 10.000 рублей. В наличии огромный выбор распределительных щитов, розеток, выключателей, ламп, светильников, автоматических выключателей, узо, инструментов, проводов и другого оборудования. Все для электромонтажа, все для электриков!

Во всем времена люди стремились улучшить качество своей жизни. На этом и основывается движущая сила нашей цивилизации и прогресса. К современным устройствам, которые облегчают нашу повседневную жизнь, относятся компьютеры, мобильные телефоны, а также разнообразная бытовая техника. Но мало кто знает, какой комфорт может принести такое устройство, как фотореле.

Что представляет собой данное устройство, как он взаимодействует с осветительными приборами и освещением в целом поможет разобраться наша сегодняшняя статья.

Обзор характеристик

Для того чтобы понять, что такое фотореле, необходимо разбить это слово на две составляющих «фото» и «реле». По первому слову можно догадаться, что данный прибор имеет некоторое отношение к осветительной системе. А вот второе слово расшифровывается как переключатель. Таким образом, если сложить все вместе, то это будет означать переключатель света. Но здесь не все так просто.
Фотореле – прибор, который обеспечивает переключение света в зависимости от попадания на него световых лучей. Если оценивать принцип работы устройства, то он будет схож с датчиками света.
Данный светодатчик является электронным детектором, который реагирует на любые изменения в уровне освещенности. В состав изделия могут входить такие составляющие:

  • фоторезисторы;
  • газоразрядные элементы;
  • фотодиоды.

С помощью этих элементов датчик может реагировать на снижение или повышение уровня света, замыкая при этом электрические контакты. Поэтому фотодатчик используется для включенья света при определенных условиях. Какое отношение он имеет к повышению комфорта? А самое что ни на есть прямое, ведь при использовании подобного рода аппаратуры происходит автоматические включение света, хоть в доме, хоть на улице.

Обратите внимание! Фотореле для уличного освещения используется намного чаще, чем для подсветки дома. Устанавливая такой светодатчик, вы получите автоматическую систему освещенности.

Светодатчик для улицы

Когда наступает ночь, очень выгодно использовать специальные приборы для того, чтобы включение света происходило автоматически. Такая система освещенности позволит значительно сэкономить на потреблении электроэнергии, а также воссоздать у себя часть системы «умный дом». В день данная система будет находиться в спящем режиме. Но если фотодатчик установить в доме, то он также сможет обеспечивать включение света автоматически в помещениях, где имеется доступ к хорошему уровню естественной освещенности.

Как работает прибор

Чтобы оценить перспективность использования подобного изделия, необходимо выяснить, каков принцип работы фотореле. Рассмотрим, какой принцип работы имеет светодатчик на примере его установки на улице (в системе наружного освещения).
Фотореле для уличного освещения, впрочем, как и для подсветки дома, имеет довольно простой принцип работы:

  • при незначительном количестве приходящих на светодатчик световых лучей происходит замыкание контактов, что приводит к включению света на улице. К примеру, таким образом можно зажечь уличный фонарь;
  • когда количество попадающих на светодатчик световых лучей увеличивается (наступает день), то фонарь или другая лампа будут выключаться. Это происходит вследствие того, что фотодатчик автоматически размыкает контакты.

Принцип работы фотодатчика

Автоматический контроль уровня освещенности таким прибором возможен благодаря наличию в его конструкции потенциометра. С его помощью светодатчик может точно определить оптимальное время для включения или выключения осветительных приборов (уличного фонаря или других светильников).
Помимо этого современные приборы обладают определенной регулировкой, которая позволяет любому человеку самостоятельно настроить диапазон срабатывания фотодатчика. Он оснащен еще и таймером. Таким вмонтированным таймером обеспечивается контроль работы аппарата.
Как видим, для дома фотодатчики не очень подходят, так как здесь их следует устанавливать вблизи оконных проемов. Иначе они будут держать свет включенным даже тогда, когда день уже начнется. А это лишние траты. Поэтому такие аппараты самое широкое свое применение находят вне помещений. Фотореле для уличного освещения подходит лучше всего. Так, фотодатчик может использоваться в разных местах:

  • им может быть оснащен фонарь или лампа, установленная вблизи входа в дом;
  • в качестве элемента системы наружного освещения подъездов многоквартирных домов;
  • фонарь или лампа торшерного типа, к которым подключен светодатчик, часто используются для освещения тропинок, дорожек и тротуаров.

Как видим, по некоторым особенностям работы фотодатчик немного напоминает обычный датчик света. При установке его подключают в щит, что находится в доме. Но здесь следует помнить, что в щит прибор следует подключать по специальной схеме. В противном случае он может работать не так, как требуется.

Схема подключения фотодатчика

Если нарушить принцип подключения, то щит вообще может повредиться вследствие короткого замыкания.

Преимущества использования

Фотодатчик представляет собой один из элементов системы «умный дом». Эта система разрабатывается для того чтобы сделать пребывание человека в доме (и на придомовой территории) более удобным, практичным и комфортным. Вся суть такой системы сводится к автоматизации определенных домашних процессов, чтобы человек не отвлекал свои силы на их исполнение. Например, автоматическое включение света, когда день уже закончился и наступила ночь.
Если установить у себя фотореле для уличного освещения, вы получите массу преимуществ. Среди них стоит отметить следующие моменты:

  • автоматизация процесса включения света на приусадебной территории;

Автоматизированное освещение приусадебной территории

  • значительная экономия потребления электроэнергии;
  • увеличение срока службы лампочек, установленных в осветительные приборы (фонарь и другие уличные светильники);

Обратите внимание! Многие источники света сегодня могут начать неправильно работать при частом их включении и выключении. Исключением в данной ситуации являются светодиодные лампы, на продолжительность работы которых этот фактор не оказывает такого пагубного влияния, как для галогеновых, люминесцентных источников света и ламп накаливания.

  • автоматическая подсветка лужаек и декоративных элементов сада;
  • любая лампа со встроенным фотоэлементом сможет автоматически включаться и выключаться при наличии для этого соответствующих условий;
  • возможность самостоятельно подключить электрическую схему сборки в щит дома. Обязательно помните, что собираясь подключить провода в щит, нужно предварительно отключить электричество. Щит в доме является самым важным элементом электрической системы. Лучше всего вообще не трогать шит, если вы слабо разбираетесь в электронике, а доверить это дело профессиональному электрику. Распределительный щит – не место для халатности.

Установка изделия в систему освещения и подключение его к электросети дома (в щит) откроет перед вами возможности хотя бы частично обустроить свое жилище по принципу «умный дом». Любая лампа или фонарь с таким фотодатчиком позволят вам комфортно и безопасно перемещаться не только по дому, но и улице в вечернее и ночное время.

Разновидности прибора

Фотореле для уличного освещения делится на несколько видов:

  • модели со встроенным датчиком для автоматического отслеживания уровня освещенности. Такие изделия обладают специальным чувствительным элементом – датчиком освещения. Этот датчик размещен внутри герметичного прозрачного корпуса. Устройства характеризуется полностью автономной работой;

Модель со встроенным датчиком освещения

Модель со встроенным фотодатчиком и таймером

  • модели, имеющие встроенный таймер и фотодатчик. Данный тип изделий позволяет проводить достаточно гибкую и тонкую настройку параметров работы прибора, а также менять режимы автоматического включения света в зависимости от конкретных потребностей;
  • фотореле с выносным датчиком. Здесь электронная начинка прибора локализована в отдельном модуле, а сам светочувствительный элемент находится изолированно от нее. Благодаря подобной конструкционной особенности такой светодатчик более востребован, так как его срок службы значительно выше, чем у предыдущих моделей.

Обратите внимание! Подключение такого изделия к сети электропитания (в щит) будет иметь несколько иную схему при организации наружного освещения. В этом случае электронный блок нужно устанавливать внутри помещения (для защиты от неблагоприятных климатических условий), а уже сам датчик монтируется на улице в фонарь или другой осветительный прибор.

Обратите внимание, что установить и подключить в щит любую модель можно только по соответствующей схеме. Она приводится в инструкции к каждому отдельному прибору.

Какой вид должен иметь фотодатчик, нужно определять по тому, какие у каждой модели имеются технические характеристики.

Как выбираем

Важным моментом в приобретении фотодатчиков является правильный выбор необходимой модели. Как мы уже выяснили из предыдущего раздела, модели бывают с выносным и встроенным датчиком. При этом каждая разновидность обладает своими техническими характеристиками.
Чтобы подобрать необходимую модель, нужно опираться на следующие критерии выбора:

Прибор с высокой степенью защиты

  • производитель. Прибор зачастую работает на улице, поэтому он должен быть собран из качественных материалов, которые смогут выдерживать любые погодные условия;
  • наличие или отсутствие возможности проводить точную настройку. От данного условия зависит насколько точно можно будет настроить прибор для работы в той или иной местности;
  • наличие или отсутствие таймера;
  • защищенность корпуса от пыли, влаги и механических повреждений. Чем выше будет этот показатель, тем дольше прослужит изделие.

Конечно же, самым главным критерием для многих людей является стоимость покупаемой продукции, а уж потом ее технические характеристики. Но это не всегда верный подход. Купить дешевое изделие можно всегда, а вот будет ли оно качественно работать, тот еще вопрос. Поэтому в данной ситуации рекомендуется отдавать предпочтение моделям средней и высокой ценовой планки. Это не тот случай, когда можно сэкономить без последствий.

Разбираемся в характеристиках

Стоить отметить, что модели фотодатчиков даже схожей конструкции могут иметь различные технические характеристики. Это обязательно следует учитывать при выборе такого рода датчиков.
Самыми оптимальными считаются следующие технические характеристики:

  • рабочее напряжение – 220 В, а частота 50Гц. Иногда нужны модели с напряжением 12 или 24 В;

Обратите внимание! Импортные одели могут иметь показатель в 110 или 127 В

  • максимальный ток нагрузки – в диапазоне от 6 до 16 А. По этому показателю можно определить, на какой тип освещения рассчитана модель;
  • порог срабатывания. Этот параметр должен находиться в диапазоне от 5 до 50 люкс. Если используется регулируемая модель, то порог срабатывания будет обладать гораздо большим диапазоном;
  • потребляемая мощность. Данный параметр обозначается двумя цифрами. Первая отображает собственную мощность потребления. Она должна быть в пределах от 2 до 5-10 Вт. Вторая цифра будет отражать мощность дежурного режима. Современные изделия в дежурном режиме работают в диапазоне от 0,1 до 1 Вт;
  • параметр возможной задержки от кратковременного затемнения. Эта величина демонстрирует имеющуюся у фотодатчика защиту от возможных ложных срабатываний. Она варьируется в диапазоне от 15 до 30 секунд.

Также немаловажным параметром является степень защиты. От этой величины напрямую зависит возможность проникновения внутри прибора воды и грязи. Данный аспект очень важен для приборов, применяемых в системах наружного освещения.
Кроме этого нужно не забывать про такой параметр, как допустимая рабочая температура. Необходимо чтобы она была в диапазоне от -20 до +50°С.
Подбирая по таким критериям светодатчик, вы сможете выбрать наиболее подходящую модель для своего дома. А сама покупка будет радовать вас качеством работы и длительным периодом службы.

Заключение

Как видим, фотодатчик будет отличным помощником в модернизации системы подсветки и частичного использования системы «умный дом». Залогом успешной установки и дальнейшей работы является оптимальный выбор модели, который должен делаться по техническим характеристикам приобретаемой продукции.

Контролировать освещение на улице удобно с помощью фотореле. Устройство практично и имеет простую схему подключения. При этом уличные осветительные приборы будут работать в необходимом режиме.

Фотореле и принцип его работы

Эффективный прибор позволяет контролировать затраты энергии, управлять освещением по необходимому режиму. Фотореле используют для своевременного включения и отключения уличных фонарей, что актуально для частных домов. Для этого в приборе предусмотрен датчик, чувствительный к свету. Элемент соединён с питательной цепью. При попадании лучей света датчик становится изолятором, а тёмное время суток прибор проводит электроэнергию к устройству освещения. Так работает фотореле, отключая фонари при дневном свете и включая их при отсутствии солнечных лучей.

Освещение: применение фотореле

Прибор контроля освещения используют в частных домах, размещая на фонарях вдоль дорожек или возле входной двери. В парке, загородном большом участке и других просторных территориях также применяют фотореле. Прибор практичен для освещения автостоянок, дворов, рекламных конструкций и зоны видимости видеокамер наружного наблюдения. Во всех случаях создаётся автоматизированная система, которая включает свет при наступлении темноты. Это позволяет экономить энергоресурсы и обеспечивает комфорт нужных зон.

Характеристики фотореле

При выборе устройства для управления освещением учитывают его характеристики. Производители выпускают обширный ассортимент приборов, отличающихся внешним видом, характеристиками, номинальным напряжением питания и другими параметрами. Поэтому при выборе стоит обратить внимание на следующие особенности фотореле:

  • вес и размеры устройства;
  • температурные ограничения при эксплуатации;
  • сектор срабатывания;
  • мощность и уровень потребления энергии;
  • частота сети для работы;
  • номинальное напряжение для питания.

Приборы также разделяются по типу коммутируемых светильников. Простые модели часто предназначены для работы с обычными лампами накаливания или галогенными устройствами. Для других вариантов ламп следует выбирать фотореле, мощность и характеристики которого соответствуют параметрам источника света.

Виды устройств

Фотореле широко используют в разных областях и в зависимости от этого приборы разделяют на несколько видов. Для частного применения удобно фотореле, имеющее встроенный фотоэлемент. Они представляют собой единый блок, который закрепляется на улице. А также надёжны и более функциональны модели, в которых присутствуют встроенный фотоэлемент и таймер. В таком случае есть возможность управления освещением по заданному режиму времени.

Практичные устройства могут иметь возможность управления порогом срабатывания. Модели с выносным элементом для контроля освещения отличаются удобным управление. Эти виды являются основными, но существуют и варианты, предназначенные для работы в суровых и сложных условиях, например, на севере.

Приборы, в конструкцию которых входит датчик движения/присутствия, позволяют экономить энергию. Фотореле включает свет при приближении объекта, а при длительном отсутствии движения, освещение выключается.

Производители

Качественные датчики освещённости выпускают производители во многих странах мира. При выборе стоит учесть, что в устройства отличаются по номинальному напряжению питания. Оптимальны приборы, которые подключаются в сети в 220 в.

Основными являются такие бренды, как:

Стоимость устройств определяется типом чувствительного элемента, который входит в конструкцию. Именно эта деталь наиболее ценная и обеспечивает качественную работу прибора. На стоимость изделий также влияют габариты, характеристики и марка производителя.

Фотореле IEK ФР-601, 602, 606, 603: сравнение и особенности

Производитель IEK выпускает обширный ассортимент датчиков освещённости, которые отличаются внешним видом, характеристиками и другими параметрами. Сравнить востребованные модели легко с помощью данных, приведённых в таблице.

Тип фотореле Особенности
ФР-601 Для эксплуатации в однофазных электрических сетях переменного тока напряжением 230 В частотой 50 Гц и
по характеристикам соответствует ГОСТ Р 51324.2.1. Защита от пыли и влаги, максимальная нагрузка и мощность
лампы 2200 Вт, температурные условия эксплуатации от –25 до +40 °С, степень защиты IP 44,
ФР-602 Для эксплуатации в однофазных электрических сетях переменного тока напряжением 230 В частотой 50 Гц,
соответствует ГОСТ Р 51324.2.1. Макс. нагрузка и мощность лампы 4400 Вт, диапазон рабочих температур от –25 до +40 °С.
степень защиты IP 44.
ФР-603 Для автоматического включения/отключения источников света. Присутствует встроенный фотоэлемент, а коммутирующая нагрузку деталь представлена в виде электромеханического реле. Защита IP44, входящее напряжение 220 – 240 В.
ФР-606 Для автоматического управления уличным освещением в зависимости от естественной освещённости. Пластиковый корпус,
электромеханическое реле, температурный режим эксплуатации от — 40 до + 50, напряжение 220

240 В. Могут использоваться датчики
и таймеры.

Модели фотореле отличаются формой и внешним видом. Эти четыре варианты оптимальны для управления освещением на улице и отличаются простой схемой подключения. Приборы устанавливают снаружи, но есть и модели для крепления внутри. При этом на улице располагается лишь датчик.

Как подключить устройство к уличному фонарю: схемы и принципы

При подключении простого устройства нужно ознакомиться с его конструкцией. Главным элементом является фотодиод, который может находиться снаружи или внутри корпуса. В первом случае датчик монтируют на улице, а электронный блок подключают на электрическом щите в помещении. При внутреннем расположении чувствительной детали прибор монтируют на улице.

Знание конструктивных особенностей устройства позволяет подключить его к фонарю максимально эффективно. Поэтому важно определить тип фотореле, приобрести качественный прибор, подобрать схему, а затем приступать к подключению датчика.

Фотореле на схеме

Правильная схема подключения значительно облегчает самостоятельную установку прибора. На электрической схеме фотодиод представлен в виде условного графического обозначения, представляющего собой треугольник на оси симметрии с направленными сверху вниз стрелками. На простых схемах прибор может обозначаться в виде круга или прямоугольника с надписью «ФР».

Подключение

Кронштейн с прибором монтируют в затенённом месте. Листва деревьев, навесы, осадки не должны влиять на работу устройства. После определения места расположения нужно узнать количество светильников, для которых необходимо управление. На один источник света монтируется одно фотореле. Если же используется большое количество фонарей, то лучше всего применить контроллер. Он получает сигнал от фотодатчика и позволяет управлять несколькими светильниками одновременно.

Конструкция прибора может включать в себя клеммы, что упрощает подключение. Они необходимы для зажима проводов. Кабель каждого цвета соединяют с соответствующим проводом лампы и цепи питания. Если клеммы отсутствуют, то следует установить распределительную коробку. Корпус устройства должен быть защищён от влаги и осадков. Известные производители указывают на упаковке или в инструкции схему подключения элемента.

Сборка и подключение фотореле своими руками

Создать простой прибор для управления освещением просто своими руками. В зависимости от необходимого уровня функциональности и навыков можно использовать как простые, так и сложные схемы. В любом случае нужно использовать качественные детали и предусмотреть защиту элемента от климатических воздействий.

Компоненты

Для сборки нужно подготовить все необходимые детали. Простой вариант фотореле включает в себя такие компоненты, как:

  • фоторезистор;
  • прибор Q6004LT;
  • резистор обычного типа.

Схема соединения и подключения устройства проста и включает в себя минимум деталей. Аппарат при этом получает питание от сети 220 В, а принцип действия заключается в постепенном увеличении амплитуды напряжения до 40 В. При достижении этой отметки срабатывает фотореле и загорается свет.

Схема

Сборка простого датчика освещённости предполагает определение уровня мощности и характеристик прибора. Предварительно составляют схему соединений и подключения к лампе. Для использования одного фотореле для нескольких фонарей нужно применить контроллер.

Сборка и монтаж

В этой схеме отсутствует блок питания, что делает процесс сборки простым. Уровень мощности может быть увеличен за счёт использования прибора, обладающего более высокими характеристиками. Все компоненты соединяются с помощью кабеля, а для настройки используется резистор с сопротивлением в 40 кОм.

Применение мощного прибора Q6004LT даёт возможность подключать к собранному устройству нагрузку с мощностью до 500 Вт. А использование в схеме дополнительного радиатора позволит увеличить мощность до 750 Вт. В дальнейшем можно применять квадрак, который будет обладать рабочими токами 6, 8, 10 или 15 А.

Эксплуатация освещения

В процессе эксплуатации системы освещения, в которой присутствует фотореле, важно обеспечить надёжность корпуса устройства. В противном случае осадки приведут прибор в негодность, а управление освещением будет невозможно. Поэтому важно выбирать качественные фотореле с надёжным корпусом, защищающих электрические элементы от климатических влияний.

При установке обязательно соблюдать правила работы с электроприборами. Это позволяет избежать травм. В результате легко создать надёжную и экономичную систему освещения на улице.

Для настройки датчика освещённости используют специальный регулятор, расположенный в нижней части прибора. Среднее положение оптимально, но можно и увеличить эффективность. Настройка зависит от личных предпочтений. Например, при максимальном показателе фотореле сработает в начале захода солнца и включится свет.

Неисправности фотореле и их устранение

Правильно подобранный датчик обеспечит комфортное управление освещением, но иногда возникают и неисправности. Одной из распространённых является ситуация, когда свет на улице включается в дневное время суток. Возможная причина скрывается в том, что какие-либо объекты мешают солнечному свету, то создавая тень, то обеспечивая поток света.

Для корректной работы следует установить датчик над прибором освещения. Свет от фонаря не должен попадать на корпус устройства. Попадание воды внутри датчика может спровоцировать самые разные неполадки, например, поломку, мигание элемента. В таком случае нужно заменить прибор на новый, но обязательно учесть надёжность и герметичность корпуса, подобрать месторасположения.

Преимущества и недостатки

Фотореле практично для различных объектов, требующих контроля освещения. Прибор позволяет экономить энергозатраты, в нужное время отключая лампы. Это является главным преимуществом элемента. А также стоит учесть и лёгкий монтаж, возможность подключения к одному датчику нескольких фонарей и простую эксплуатацию. Наличие таймера и датчика движения делает устройство более функциональным. В процессе использования датчик не требует постоянного внимания. Для получения всех преимуществ важно правильно установить фотореле и выбрать качественный элемент.

Фотореле является элементов электрической цепи освещения на улице. Поэтому правильный монтаж обязателен при подключении. В противном случае возникнут сбои в работе, поломки и неисправности, которые приведут к дополнительным расходам. И также важно подобрать фотодатчик, соответствующий характеристикам ламп и необходимому уровню функциональности.

Видео: принцип выбора и работа фотореле

Управление освещением с помощью фотореле — эффективный способ снизить энергозатраты на подсветку улицы или других объектов. Датчик, параметры которого соответствуют потребностям, прост в монтаже и отличается рядом преимуществ. А знание принципа работы устройства позволит совершить правильный выбор.

Фотоэлектрические датчики компании SICK AG третьего поколения и их применение

Лысенко Олег

В статье рассказывается о третьем поколении фотоэлектрических датчиков немецкой фирмы SICK, появление которых в значительной степени обусловлено формированием новых рыночных стандартов. Эти датчики предназначены для решения самых сложных задач в различных промышленных сферах — от пищевой и упаковочной промышленности до автомобильной и полупроводниковой индустрии.

Введение

Фотоэлектрические датчики широко используются во многих промышленных сферах в составе электронных систем управления производственных технологических линий для подсчета, обнаружения, позиционирования объектов. Понимание функциональных различий в принципах (способах) работы датчиков — первый шаг к их правильному выбору и созданию надежной, «безошибочной» технологической линии. Следующий шаг в данном направлении — комплексный учет ключевых факторов, обусловленных в равной степени как отрицательным влиянием окружающей среды (влажность, температура, запыленность, взрывоопасная газовая атмосфера, вибрация или электромагнитные помехи), так и инженерными требованиями (габариты датчика, рабочее расстояние и тип выходного сигнала).

Принцип действия и основные типы датчиков

Важнейшими функциональными отличиями фотоэлектрических датчиков являются бесконтактный принцип и цифровой (переключаемый логический) выход, что используется для создания бесконтактных фотоэлектрических переключателей, решающих многие задачи на любой технологической линии с предоставлением выходной информации в цифровой форме: подсчет, обнаружение и т. д.

Фотодатчики могут излучать свет в инфракрасном, красном или зеленом цветовом диапазонах видимого спектра. Выходной управляющий сигнал датчика представляет собой логическое «да» или «нет». Задача датчика — обнаружить объект на расстоянии, варьируемом в пределах рабочего диапазона, в зависимости от выбранного типа датчика и типа оптической системы. В зависимости от типа выхода различают транзисторные, тиристорные или релейные датчики.

Большинство фотоэлектрических датчиков компании SICK всех типов выпускается в прямоугольных корпусах: металлических или пластмассовых. (Некоторые типы датчиков имеют цилиндрическую форму корпуса.) Датчики выпускаются в «вертикальном» или «горизонтальном» исполнении, в зависимости от расположения оптической системы в корпусе датчика.

Большинство серий фотодатчиков SICK выпускается с поддержкой различных исполнений контактного интерфейса электрического соединителя: например встроенный проводной интерфейс или резьбовой разъем. Почти все базовые типы датчиков поддерживают высокие классы защиты от воздействия окружающей среды, вплоть до IP67 и IP68. Это означает, что датчики способны работать даже под струями воды.

Различают три основных разновидности оптических схем фотоэлектрических датчиков:

  • на основе перекрытия луча;
  • по принципу отражения от рефлектора;
  • на основе отражения от объекта.

Знание принципов работы каждой из оптических систем позволяет правильно выбрать датчик для решения поставленной задачи.

Фотоэлектрические датчики на основе перекрытия (прерывания) луча. Приемник и излучатель располагаются напротив друг друга таким образом, чтобы световой поток излучателя попадал непосредственно в приемник. Объект определяется, когда он перекрывает путь луча от излучателя к приемнику. Настройка взаимного расположения излучателя и приемника заключается в том, чтобы обеспечить попадание в приемник максимального количества светового потока в отсутствие объекта и минимальное при наличии такового.

Под рабочим диапазоном датчиков данного типа понимается максимальное расстояние между излучателем и приемником, допускающее функциональную работоспособность датчика. Если необходим большой рабочий диапазон, используются фотодатчики с лазерными излучателями.

Фотоэлектрические датчики с отражением от рефлектора. Фотоэлектрические датчики данного типа содержат излучатель и приемник в одном корпусе. Световой луч распространяется от излучателя до рефлектора-цели и затем, отражаясь, попадает в приемник. Так же, как и в предыдущем случае, объект обнаруживается, если он прерывает световой луч.

Рабочий диапазон расстояния от датчика до рефлектора (отражателя) называется диапазоном расстояний датчика. Эффективный луч, достигающий приемника (часть луча, необходимая для обеспечения функциональной работоспособности датчика), представляет собой усеченный конус, одно из оснований которого сформировано линзами датчика, а второе представляет собой фигуру, образованную при отражении от рефлектора конического светового пучка излучателя.

Довольно часто используются специальные отражатели, позволяющие отражать световой поток от рефлектора к датчику в том же направлении, что и первоначальное направление пути светового потока от излучателя к рефлектору.

Значительный размер диаметров оснований эффективного луча стандартных фотоэлектрических датчиков не позволяет обнаруживать с высокой точностью малые объекты, которые не способны перекрыть световой луч от излучателя.

Поскольку отраженный от рефлектора луч не сфокусирован, датчики, работающие на обратное отражение, обычно применяются для обнаружения только достаточно больших объектов. Если же требуется малый размер эффективного луча, в качестве источников света используются лазерные диоды.

Фотоэлектрические датчики с отражением от объекта (рис. 1) обнаруживают объект, расположенный перед датчиком, по отраженному от объекта излучению. Свет от излучателя падает на поверхность и отражается под самыми разными углами, но некоторая доля рассеянного от поверхности объекта излучения попадает в приемник датчика. Схема с рассеянным отражением не столь эффективна, поскольку только малая часть света от излучателя достигает приемника. К тому же подобные датчики не защищены от ложных срабатываний при отражении от блестящих поверхностей. Очевидно также, что цвет объекта играет значительную роль: рабочий диапазон датчика при обнаружении яркого белого объекта будет гораздо больше, чем при детектировании черного.

Интересной разновидностью данного типа датчиков являются фотоэлектрические датчики с подавлением заднего фона (рис. 2), которые определяют объекты в пределах настраиваемой области сканирования. Все объекты, расположенные за пределами указанной области, не влияют на результаты измерений.

Описание третьего поколения фотоэлектрических датчиков SICK AG

Компания SICK AG разработала третье поколение фотоэлектрических переключателей Connect 3. Датчики нового поколения соответствуют новым стандартам, работающим на рынке, в отношении надежности, эффективности и универсальности:

  • надежность: датчики работают в жестких условиях эксплуатации — при температуре от –40 до +60 °С, устойчивы к внешним источниками света и агрессивным средам (от горюче-смазочных материалов до моющих химических средств) и сильным электромагнитным помехам;
  • функциональность: высокоточное детектирование как прозрачных объектов, так и объектов с зеркальной поверхностью, детектирование объектов любого цвета, при любых условиях освещенности, а также удаленных на различные расстояния;
  • эффективность: сокращение времени обработки информации, автоматизация промышленных процессов, бесперебойность работы промышленного оборудования, легкость монтажа и подключения к сетевой шине, удобство настройки, минимальное время ввода в эксплуатацию;
  • универсальность: соответствие стандартам европейского союза и UL, а также ГОСТ.

Новые серии фотодатчиков третьего поколения и области их применения

Фотоэлектрические датчики Connect 3 представлены тремя сериями:

  1. W 4-3 — датчики в портативном корпусе для жестких условий эксплуатации;
  2. W 18-3 — датчики для упаковочной промышленности с высоконадежным детектированием, невосприимчивые к помехам;
  3. W 27-3 — датчики для конвейерного оборудования, допускающие большое расстояние сканирования и предполагающие легкость монтажа.

В ассортименте компании имеются датчики со следующими характеристиками:

  • напряжение питания: 10–30 В пост. тока или 24–240 В перем. тока;
  • диапазон рабочих температур: –40…+60 °С;
  • настройка: режим «teach-in»;
  • класс защиты: IP67;
  • соответствие стандартам: CE, UL, CCC, GOST.

Миниатюрный размер и значительные функциональные возможности стандартного фотоэлектрического датчика — два главных признака новой серии W4-3. Данная серия создана для установки при недостатке пространства. Отличительные особенности данной серии:

  • малые размеры (32×16×12 мм), прямоугольный корпус с металлической резьбой для монтажа;
  • оптическая система, гарантирующая высокую точность при детектировании небольших, прозрачных объектов и предметов с зеркальными поверхностями;
  • эксплуатация в жестких условиях: повышенная влажность, яркая освещенность, сильные электромагнитные помехи (соответствие стандарту EN61000-4-2).

Первым шагом компании по обновлению серии W4-2 стал выпуск фотоэлектрических датчиков третьего поколения с подавлением заднего фона WTB4-3, которые предназначены для бесконтактного определения объектов в диапазоне расстояний от 4 до 150 мм.

Представляют интерес датчики, предназначенные для решения ряда специальных задач. Датчики серии WTV4-3 V-optic с конусообразным источником света уверенно обнаруживают блестящие зеркальные поверхности, например блестящие кофейные пакеты, оцинкованные металлические листы, CD- и DVD-диски, а также прозрачные объекты, например оконные стекла, массивы прозрачных компакт-дисков, пластиковую пленку и прозрачную упаковку.

Для обнаружения перфорированной бумаги и перфорированной металлической ленты, электронных плат с отверстиями и пазами, а также материалов с сетчатой структурой предназначена серия WTB4-3 Line.

При работе в агрессивной среде используются датчики в тефлоновом корпусе W4-3 Teflon (рис. 3) с наиболее высокой степенью защиты IP68, востребованной в фармацевтической, пищевой и полупроводниковой промышленности.

Фотоэлектрические датчики серии W4-3 широко применяются в пищевой промышленности, индустрии напитков, полупроводниковой промышленности и табачной отрасли, в многообразном спектре сфер применения упаковочных машин.

Некоторые примеры использования данного типа датчиков:

    Погрузочно-разгрузочные операции, робототехника (рис. 4). Датчик с подавлением заднего фона WT4-3 используется при дефиците пространства для установки, наличии большого количества внешних источников света, сложного заднего фона (например в виде стальных зеркальных поверхностей, которые создают блики, негативно влияющие на работу датчика).

В системах автоматизации производства требуются оптические датчики, надежные в эксплуатации и универсальные в применении. Промышленные интеллектуальные датчики должны не только работать в соответствии с высокой скоростью информационного обмена производственного процесса, но и решать, по сути, несколько технологических задач. В этом отношении представляет интерес серия в узком корпусе W18-3 (рис. 6), которая создана на основании накопленного опыта компании и заказчиков, использующих датчики данной серии в решении самых различных задач.

Серию отличают следующие признаки:

  • узкий корпус датчика, широкий круг применений: возможность монтажа датчика на любое промышленное оборудование, эксплуатация в жестких индустриальных условиях, невосприимчивость к засветке и световым вспышкам, возможным в процессе производства;
  • эффективность измерений: опция автоколлимации обеспечивает надежное детектирование объектов на минимальном расстоянии, детектирование объектов нестандартной формы, с поверхностью из отражающих материалов;
  • простота и надежность настройки: луч направляется на объект с одновременным нажатием кнопок «+» и «–» (режим «teach-in») в течение 2 с — и рабочий диапазон устройства настроен; более тонкая настройка диапазона выполняется вручную нажатием клавиш «+» или «–»; светодиодный индикатор информирует о рабочем состоянии датчика в момент начала работы и при его дальнейшей эксплуатации.

В зависимости от производственных задач выпускаются различные модификации датчиков серии W 18-3:

  • датчики с подавлением заднего фона WT 18-3, позволяющие регулировать расстояние сканирования как посредством обычного потенциометра, так и с помощью двух кнопок «+» и «–» в режиме «teach-in»; в качестве источника излучения может быть использован светодиод (или инфракрасный диод для тяжелых условий эксплуатации);
  • оптические датчики с отражением от рефлектора WL 18-3, отличающиеся высокой точностью наведения луча на тестируемый объект и допускающие минимальный диаметр луча и точки наведения;
  • датчики, работающие по принципу прерывания луча, применяемые на удаленных технологических участках (на расстоянии до 20 м).

Датчики серии W 18-3 применяются в самых различных областях промышленности:

  • для обнаружения присутствия и размеров объектов в холодных помещениях на складах и на конвейерах. Датчики WL18-3 и WT18-3 точно определяют присутствие коробки на конвейере. Выбор этого типа датчиков обусловлен возможностью его стабильной работы в условиях низкой температуры, при наличии оптической интерференции и внешних источников света, а также нечувствительностью датчиков к сильным магнитным полям;
  • в операциях сборки при изготовлении цветных карандашей: датчик WT18-3 позволяет осуществить упаковку карандашей различного цвета в пеналы в условиях сильной вибрации, загрязненности, при наличии внешних источников света и блестящих поверхностей, создающих блики;
  • в операциях загрузки/выгрузки на роботизированной ячейке. Вибрации, внешние источники света, блики от удаленных объектов, взаимное влияние датчиков друг на друга создают большие сложности в организации операций загрузки/выгрузки. Применение датчика WT18-3 позволяет автоматизировать процесс и точно устанавливать соответствующие детали в гнезда в процессе быстрых машинных циклов;
  • в типичных задачах подсчета при упаковке продуктов питания. Возможно использование WT18-3 и WL18-3 для подсчета количества объектов в сложных условиях работы: вибрации, присутствие внешних источников света, отражающих зеркальных частей машин, моющих и дезинфицирующих средств.
  • для контроля присутствия древесной плиты на лесопильных заводах. Как и в предыдущем примере, типичные условия вибрации, присутствие внешних источников света и древесной пыли обосновывают выбор датчика WT18-3 для решения данной задачи и осуществления надежного контроля.

Импульсные фотоэлектрические датчики положения

Конспект №2.

8(б).Фотоэлектрические датчики положения.

Основой ОДП является оптическая система, включающая источник света, кодирующий элемент (диск или линейка) и блок фотоприемников. В качестве источников света используются оптронные пары и осветители в виде ламп накала с вольфрамовой нитью. Для обеспечения равномерной освещенности области кодирующего элемента применяются коллимационные линзы. Самым ответственным узлом ОДП, в наибольшей степени определяющим его характеристики, является кодирующий диск, на котором с высокой точностью фотоспособом выполнена маска. Тип маски определяет способ кодирования.

ОДП классифицируются по двум основным при­знакам:

1. По форме выходного сигнала: относительные (накапливающие) и абсолютные.

2. По способу кодирования: растровые, импульсные и кодовые.

Накапливающие (циклические) преобразователи используют датчик и счетную систему, суммирующую отдельные приращения, а также репер (метку), относительно которого эти приращения суммируются.

Датчики абсолютных значений не содержат репера и выполняются либо одношкальными, либо в виде систем грубого и точного отсчета.

Растровые оптические датчики положения

Растровые оптические датчики (РОДП) предназначены для преобразования линейных и угловых перемещений в цифровой код на основе использования растровой решетки. Растровые решетки модулируют световой поток на пути от источника света к приемнику. Растровая решетка — это прозрачная пластина, на которую нанесено большое количество непрозрачных штрихов различной формы, обычно равноудаленных и параллельных.

Для измерения линейных перемещений обычно используются сопряжение двух плоских параллельных растров, а для измерения угловых — сопряжение радиальных растров.

РОДП включает блок осветителя, создающий параллельный пучок света, растровое сопряжение из подвижного (измерительного) и неподвижного (индикаторного) растров, блок фотоприемников и электронный блок обработки. Блок обработки состоит из логической схемы и реверсивного счетчика, используемого в качестве накапливающего сумматора.

Рис. 5. Схема растрового оптического датчика.

К достоинствам РОДП относятся простая и технологичная конструкция, а также малые размеры и масса.

К недостаткам: накопление ошибок от сбоев и помех в цепях реверсивного счетчика, потеря информации о перемещении при отказе в цепи питания, а также необходимость периодичного определения нулевого отсчета (для получения достоверного абсолютного значения измеряемого перемещения).

Датчики скорости

В электротехнике и автоматике измерение скорости происходит при помощи тахогенереторов и оптических датчиков скорости.

Тахогенератор—измерительный генератор постоянного или переменного напряжения, предназначенный для преобразования мгновенного значения частоты вращения вала в электрический сигнал.

Величина сигнала (ЭДС) прямо пропорциональна частоте вращения. Различают тахогенераторы переменного тока (синхронные и асинхронные) и постоянного тока.

Асинхронный тахогенератор

Асинхронный тахогенератор ничем не отличается от асинхронного исполнительного двигателя с полым немагнитным ротором — одна обмотка статора подключается к сети переменного тока и называется обмоткой возбуждения (ОВ), а с другой — генераторной обмотки (ГО) снимается выходное напряжение. При питании обмотки возбуждения переменным током частоты fВ возникает пульсирующий магнитный поток ФВ, который во вращающемся роторе индуцирует два вида ЭДС: трансформаторную ЭДС — ЕТ (показана внутри ротора) и ЭДС вращения — ЕВР (показана снаружи ротора). В контурах, перпендикулярных оси обмотки возбуждения, под действием трансформаторной ЭДС протекают токи и возникает поток ФТР, который в соответствии с принципом Ленца направлен встречно потоку обмотки возбуждения, однако его действие компенсируется увеличением тока возбуждения. Так как ось генераторной обмотки перпендикулярна потоку ФТР, он не будет индуцировать в ней никакой ЭДС.

Датчики тока

Датчики тока предназначены для измерения и контроля постоянным, переменным и импульсным токами и широко применяются в электротехнике для создания систем обратной связи.

В зависимости от принципа работы датчики тока подразделяются на резистивные, токовые трансформаторы и датчики на эффекте Холла.

Измерительные трансформаторы тока предназначены для преобразования тока до значения, удобного для измерения.

Первичная обмотка трансформатора тока включается последовательно в цепь с измеряемым переменным током, а во вторичную включаются измерительные приборы. Ток, протекающий по вторичной обмотке трансформатора тока, пропорционален току, протекающему в его первичной обмотке. Трансформаторы тока обеспечивают безопасность измерений, изолируя измерительные цепи от первичной цепи с высоким напряжением.Основным недостатком является инертность, которая затрудняет измерение мгновенных значений несинусоидального тока. Трансформатор тока имеет замкнутый магнитопровод 2 и две обмотки — первичную 1 и вторичную 3. Первичная обмотка включается последовательно в цепь измеряемого тока I1, к вторичной обмотке присоединяются измерительные приборы, обтекаемые током I2.

а – одновитковый трансформатор тока; б – многовитковый трансформатор тока; в — многовитковый трансформатор тока с двумя сердечниками; 1 — первичная обмотка; 2 — вторичная обмотка; 3 — сердечник; 4 — изоляция; 5 — обмотка прибора

Основным недостатком является инертность, которая затрудняет измерение мгновенных значений несинусоидального тока.

Область применения

− электродвигатели с регулируемой скоростью вращения

− системы автомобильной диагностики

− защита от замыкания на землю

− системы защиты от перегрузки двигателей

− мониторинг токовой системы электросварочного оборудования

− защита силовых полупроводников

4.Датчики динамических величин

Датчики ускорения

Датчик ускорения или акселерометр— прибор, измеряющий разность между абсолютным ускорением объекта и ускорением силы тяготения.

Являются универсальным вибродатчиком, в настоящее время применяемым почти во всех областях измерения и анализа механических колебаний. Пьезоэлектрические акселерометры отличаются широкими рабочими частотным и динамическим диапазонами, линейными характеристиками в этих широких диапазонах, прочной конструкцией, надежностью и долговременной стабильностью параметров. Так как пьезоэлектрические акселерометры являются активными датчиками, генерирующими пропорциональный механическим колебаниям электрический сигнал, при их эксплуатации не нужен источник питания.

Принцип работы: пьезоэлемент практических пьезоэлектрических акселерометров сконструирован так, что при возбуждении механическими колебаниями инерционная масса воздействует на него силой, пропорциональной ускорению механических колебаний. В акселерометрах происходит давление грузика на пьезокристалл. Основной принцип тот же, что и в пьезозажигалках – под воздействием деформации пьезоэлемент вырабатывает ток. Из значения напряжения, зная параметры системы, можно найти силу, с которой грузик давит на кристалл – и, соответственно, рассчитать искомое ускорение.

Часто применяются датчики движения, основанные на конденсаторном принципе. Подвижная часть системы – классический грузик на подвесах. При наличии ускорения грузик смещается относительно неподвижной части акселерометра. Обкладка конденсатора, прикрепленная к грузику, смещается относительно обкладки на неподвижной части. Емкость меняется, при неизменном заряде меняется напряжение – это изменение можно измерить и рассчитать смещение грузика. Откуда, зная его массу и параметры подвеса, легко найти и искомое ускорение.

Акселерометры микроэлектромеханических MEMS систем делятся на два типа:

• сенсоры – измерительные устройства, которые переводят те или иные физические воздействия в электрический сигнал;

• актуаторы (исполнительные устройства) – системы, которые занимаются обратной задачей, то есть переводом сигналов в те или иные действия.

Датчик движения Epson XV-8000

Оптические

Оптические датчики давления могут быть построены на двух принципах измерения: волоконно-оптическом и оптоэлектронном.

Волоконно-оптические

Волоконно-оптические датчики давления являются наиболее точными и их работа не сильно зависит от колебания температуры. Чувствительным элементом является оптический волновод. Об измеряемой величине давления в таких приборах обычно судят по изменению амплитуды и поляризации проходящего через чувствительный элемент света.

Оптоэлектронные

Датчики этого типа состоят из многослойных прозрачных структур. Через эту структуру пропускают свет. Один из прозрачных слоев может изменять свои параметры в зависимости от давления среды. Есть 2 параметра, которые могут изменяться: первый это показатель преломления, второй это толщина слоя. На иллюстрации показаны оба метода, изменение показателя преломления — рисунок 9а, изменение толщины слоя — рисунок 9б.

При изменении этих параметров будут меняться характеристики проходящего через слои света, это изменение будет регистрироваться фотоэлементом.

Магнитные

Другое название таких датчиков — индуктивные. Чувствительная часть таких датчиков состоит их Е-образной пластины, в центре которой находится катушка, и проводящей мембраны чувствительной к давлению. Мембрана располагается на небольшом расстоянии от края пластины. При подключении катушки, создается магнитный поток, который проходит через пластину, воздушный зазор и мембрану. Магнитная проницаемость зазора примерно в тысячу раз меньше магнитной проницаемости пластины и мембраны. Поэтому, даже небольшое изменение величины зазора влечет за собой заметное изменение индуктивности.

Рис.10. Индуктивный датчик

Емкостные

Имеет одну из наиболее простых конструкций. Состоит из двух плоских электродов и зазора между ними. Один из этих электродов представляет собой мембрану на которую давит измеряемое давление, вследствие, чего изменяется величина зазора. То есть, по сути, этот тип датчиков представляет собой конденсатор с изменяющейся величиной зазора. А как известно емкость конденсатора зависит от величины зазора. Емкостные датчики способны фиксировать очень маленькие изменения давления.

Ртутные

Тоже очень простой измерительный прибор. Работает по принципу сообщающихся сосудов. На один из этих сосудов давить измеряемое давление. Давление определяется по величине ртутного столба.

Пьезоэлектрические

Чувствительным элементом датчиков этого типа является пьезоэлемент — материал, выделяющий эклектический сигнал при деформации (прямой пьезоэффект). Пьезоэлемент находится в измеряемой среде, он будет выделять ток пропорциональный величине изменения давления. Так как электрический сигнал в пьезоматериале выделяется только при деформировании, а при постоянном давлении деформирование не происходит, то этот датчик пригоден только для измерения быстро меняющегося давления.

Пьезорезонансные

Этот тип тоже использует пьезоэффект, только в отличие от прошлого типа тут используется обратный пьезоэффект — изменение формы пьезоматериала в зависимости от подаваемого тока. В датчиках данного типа используется резонатор (например пластина) из пьезоматериала, на которую нанесены с двух сторон электроды. На электроды по переменно подается напряжение разного знака, таким образом пластина изгибается то в одну то в другую сторону с частотой подаваемого напряжения. Но если на эту пластину подать силу, например мембраной чувствительной к давлению, то частота колебания резонатора изменится. Частота резонатора и будет показывать величину, с которой давление давит на мембрану, а она в свою очередь давит на резонатор.

Резистивные

По-другому этот тип датчиков называет тензорезистивный. Тензорезистор — это элемент, изменяющий свое сопротивление в зависимости от деформирования. Эти тензоризисторы устанавливают на мембрану чувствительную к изменению давления. В итоге, при давлении на мембрану она изгибается и изгибает тензоризисторы, закрепленные на ней. Вследствие чего, сопротивление на них меняется и меняется величина тока в цепи.

Рис.12 а) Датчик крутящего момента Т300 б) Измерение силы в) Тензометрические весы

Термометр —прибор для измерения температуры.

Термометр манометрический

Прибор для измерения температуры, действие которого основано на тепловом расширении жидкости, температурной зависимости давления газа, либо температурной зависимости давления жидкостных паров. Благодаря капилляру могут использоваться дистанционно.

Термометр манометрический широко распространен в качестве приборов технического назначения в диапазоне температур от -60 до 550 °С.

Термометр жидкостный

В термометрах жидкостных термометрическим свойством является тепловоерасширение жидкостей. Для заполнения жидкостных термометров применяют ртуть, толуол, этиловый спирт, керосин, эфир, пентан и т. д. Жидкостные термометры широко применяется в технике и лабораторной практике для измерения температур в диапазоне от –200 до 750 °С

Ртутные термометры — разновидность жидкостного термометра, где термометрическим веществом является ртуть.

В электроконтактных жидкостных термометрах (ЭЖТ) термометрическая жидкость сигнализирует о достижении заданной температуры замыканием специальных контактов.

Жидкостной термометр Ртутный термометр ЭЖТ

Газовый термометр

Газовый термометр прибор для измерения температуры, действие которого основано на зависимости давления или объёма газа от температуры (Закон Шарля): при постоянном объеме давление газа прямо пропорционально абсолютной температуре. Так как газ, как правило, остаётся газом даже при очень низких температурах, газовые термометры часто используют для измерения отрицательных температур.

Рис.24. а) Принцип работы газового термометра; б) внешний вид газового термометра

Биметеллические термометры

Основным элементом биметаллического термометра является скрученная в спираль полоса из двух сваренных друг с другом пластин разных металлов с неодинаковыми коэффициентами температурного расширения. Температурная деформация заставляет спираль скручиваться либо раскручиваться, двигая указатель по шкале.
Диапазоны показаний биметаллических термометров от -70°С до +600°С

Рис.26. Устройство биметаллического термометра

Термометр сопротивления

Термометр сопротивления-прибор для измерения температуры,принцип действия которого основан на изменении электрического сопротивления чистых металлов, сплавов и полупроводников при изменении температуры (принцип терморезистора). Наиболее распространённый тип термометров сопротивления — платиновые термометры.

Рис.27. Внешний вид термометров сопротивления

Термистор(ТР) — полупроводниковый терморезистор, у которого электрическое сопротивление существенно убывает с ростом температуры. Широко используются в связанной с температурными режимами электронике: температурные датчики, термометры и т.п.

Важным преимуществом термисторов является их большое сопротивление, что устраняет проблему, связанную с падением напряжения на подводящих проводах, как при использовании RTD или проблему, связанную с необходимостью большого усиления сигнала (до 2000) для термопар.

Чувствительность термисторов значительно выше чем у металлических термометров сопротивления на один порядок и составляет -(2. 8) %/°C.

Терморезисторы с положительным температурным коэффициентов сопротивления называются позисторами.

Как элемент автоматики, позистор может выполнять следующие функции:

1) Защита от перегрева электрических двигателей.

2) Ограничение тока.

3) Улучшение работы реле.

ЧАСТЬ 2

Сенсорные устройства МиРТС.

Частотная модуляция

При частотной модуляции модулирующий сигнал um(t) изменяет мгновенные значения частоты ω, не влияя на амплитуду колебаний.

Чаще всего используют линейную ЧМ, при которой изменение несу­щей частоты пропорционально амплитуде модулирующего сигнала.

В простейшем случае модуляции гармоническим сигналом um(t)= ummax(t)cosmt несущая частота со изменяется по закону

Здесь представляет собой амплитуду отклонения несущей частоты ω от начальной ω, а cosωmt определяет форму модулирующего сигнала. Пара­метр Δω, называемый девиацией частоты, не зависит от частоты сигнала и соответствует глубине модуляции при АМ.

Ширина спектра Δω частотно-модулированного сигнала определяется значением индекса ЧМ: β= Δω/ ωm .При малых р ширина спектра практи­чески не зависит от его значения и равна 2 ωm. В этом случае частотно-модулированный сигнал, как и амплитудно-модулированный, со­стоит из колебания с несущей частотой ω и двух спутников с частотами ω — ωm и ω + ωm, т. е. при малых β спектры амплитудно- и частотно-модулированных сигналов одинаковы. Однако, как правило, β»1, и, следовательно, спектр частотно-модулированного сигнала значительно шире, чем амплитудно-модулированного.

В большинстве случаев модулирующий сигнал не является гармониче­ским, а представляет собой набор частот.

Достоинства : высокая помехоустойчивость, наличие дополнительных линий в спектре сигнала (повышает надежность связи).

Фазовая модуляция

Фазовой модуляцией (ФМ) называется способ модуляции, при котором фаза колебания с несущей частотой изменяется в зависимости от амплитудымодулирующего сигнала. Модулированный сигнал при ФМ колебания с несущей частотой ω гармоническим сигналом имеет вид

где — индекс ФМ, характеризующий максимальное отклонение фазы модулированного сигнала от фазы исходного.

Несущая частота при ФМ, как и при ЧМ, непостоянна и определяется со­гласно выражению

Девиация частоты при ФМ зависит от частоты модулирующего сигна­ла . Если модулирующий сигнал мм гармонический, то спектры фазово- и частотно-модулированного сигналов практически одинаковы.

Рис 2. Фазово-модулированный сигнал

Импульсная модуляция сигналов

В случае импульсной модуляции переносчиком сигнала служит по­следовательность импульсов, каждый из которых обычно представляет со­бой цуг колебаний с высокой несущей частотой.

Частота посылок импульсов, называемая частотой дискретизации , определяется спектром передаваемого сигнала и должна по крайней мере в 2—3 раза превышать верхнюю частоту спектра модулирующего сигнала. В этом случае возможна демодуляция сигнала, т. е. выделение необходимой информации из импульсно-модулированного сигнала.

Кроме амплитуды, частоты и фазы различают длительность (или ширину) им­пульсов и их скважность Использование импульсов с большой скважностью позволяет в рамках одного частотного канала (т. е. при одной и той же частоте дискретизации) сформировать несколько информационных каналов.Наибольшее распространение получили амплитудно-, частотно-, широтно- и фазово-импульсный, а также импульсно-кодовый способы модуляции сигналов.

При фазово-импульсной модуляции импульсы, имеющие постоянную амплитуду и длительность, смещаются относительно некоторых фиксированных моментов времени в сторону опережения или отставания на временные интервалы, пропорциональные мгновенным значениям передаваемого сигнала.

Кодово-импульсная модуляциязаключается в том, что в точках дискретизации модулирующего сигнала производится квантование его значений и кодирование квантованных значений, как правило, в двоичной системе исчисления. Кодированные значения затем передаются при помощи соответствующей кодовой последовательности стандартных символов.

Помехоустойчивость ЛС возрастает при использовании фазово- и кодово-импульсной модуляции сигналов.

К недостаткам ИМ по сравнению с непрерывной можно отнести большую ширину спектра сигнала и сложность технической реализации.

Недостатки

· низкая разрешающая способность

· нелиней­ность функции преобразования

Основы оптической локации

Большинство используемых в робототехнике ОЛС, а также системы технического зрения (СТЗ) функционируют в диапазоне видимого света. Излучение субъективно описывается двумя переменными: яркостью (амплитудой сигнала) и цветом (длиной волны). Информация о яркости применяется во всех ОЛС, о цвете — только в СТЗ.

Оптическое излучение создается благодаря колебаниям большого числа элементарных осцилляторов. Излучения с X = 380. 750 нм образуют видимый свет. Источники света принято разделять на когерентные и некогерентные. В некогерентных источниках (естественных, а также вакуумных и оптронных) различные атомы активного вещества излучают волны, фазы и направления полей которых независимы и случайным образом изменяются во времени.

Для оценки светового излучения применяются энергетические и светотехнические (визуальные) характеристики. Первые используют, как правило, для излучений, которые лежат за пределами видимого спектра, вторые служат для описания процессов, протекающих в диапазоне видимого света и воспринимаемых глазом.

Различают следующие основные характеристики светового излучения:

· энергия излучения (энергетическая в джоулях и светотехническая в люмен-секундах);

· световой поток (энергетический в ваттах и светотехнический в

· люменах, причем I Вт излучения с X = 5,55 • 10 м соответствует 683 лм);

· сила света — телесный угол (энергетическая в ваттах на стерадиан и светотехническая в канделах);

Способность глаза реагировать на изменение яркости в очень большом диапазоне получило название зрительной адаптации.

Датчики оптронных ОЛС строятся на основе твердотельных фотооптических преобразователей (например, оптронной пары светодиод — фотодетектор с открытым оптическим каналом), работающих, как правило, в инфракрасном диапазоне. Качество обнаружения (детектирования) определяется следующими параметрами:

· мощностью и направленностью излучения,

· спектральной характеристикой первичных преобразователей (излучающего диода на стороне излучателя и фотодетектора на стороне приемника)

· свойствами отражающей поверхности объекта.

Объективом называется ближняя к объекту линза (или система линз), дающая его обратное действительное изображение.

Объектив используют как в излучателях, так и в приемниках ОЛС.

Распространенной оценкой светосилы объектива является диафрагменное (апертурное) число N.

Диафрагменное число определяет разрешающую способность и глубину резкости объектива.

Важным элементом оптической системы является конденсор, используе­мый как в излучателях, так и в приемниках ОЛС.

· Рис 1.Конденсор темного поля ОИ-13

· Частным случаем конденсора является коллиматор, формирующий па­раллельный световой пучок.

· Рис. 2 Коллиматорный прицел HAKKO BED-29

· В излучателе конденсор устанавливается перед объективом, в приемнике — после него, т. с. во всех случаях ближе к плоско­сти изображений.

В робототехнике при расчете ОЛС необходимо, во-первых, выбрать область наблюдения, во-вторых, определить разрешающую способность и, в-третьих, найти способ компенсации изменения освещенности. В робототехнике оптронные ОЛС используют очень широко не только в дискретном, но и непрерывном режимах, обеспечивая при этом достаточно высокую точность измерений. Для расширения температурного диапазона работы (от 0 до 250 С) в современных модификациях оптронных датчиков малых расстояний используют световолоконные каналы передачи данных. Дискретные бинарные датчики применяют также в оптических системах идентификации (smart-картах). Промышленно выпускаемые оптронные дальномеры измеряют расстоя­ния до 100 мм с погрешностью около 1 %, причем время измерения не пре­вышает 4 мс. Для увеличения радиуса действия до 10 м используют оптиче­ские отражатели.

Рис 3. Модуль лазерного дальномера и ТВ-канала (слева) и модуль тепловизионного прибора (справа) для оптронной мачты (ФГУП ЦКБ «Фотон»)

Рис 4. Отражатель оптический 4586


Основы технического зрения

Существенной особенностью СТЗ является необходимость формирования изображения объекта, которое представляет собой распределение амплитуды его двумерной функции яркости Y(X, у).

Распознавание образов в СТЗ, как и у человека, основывается на признаках, полученных при анализе частичных изображений. По назначению СТЗ условно можно разделить на два класса: прикладные, предназначенные для обработки простых изображений с заданным быстродействием; универсальные, позволяющие анализировать сложные изображения с использованием принципов искусственного интеллекта.

Современные СТЗ подразделяют по трем основным признакам: 1) по сложности решаемых задач — мощные, средние, малые и персональные; 2) по структуре вычислительного процесса — однопроцессорные, многопроцессорные, системы на базе матричного процессора, системы поточной обработки; 3) но типу первичного преобразователя — одномерные ID, двумерные 2D, подвижные двумерные KlD и трехмерные 3D.

Процесс преобразования информации в СТЗ можно представить в виде шес­ти основных этапов:

1) ввод (восприятие) информации, т. е. получение изображения рабочей сцены с помощью датчиков;

2) предварительная обработка изображения с использованием методов подавления шума;

3) сегментация, т. е. выделение на изображении одного или нескольких представляющих интерес объектов сцены;

4) описание, т. е. определение характерных параметров (размеров, фор­мы и т. д.) каждого объекта, необходимых для его выделения на сцене;

5) распознавание, или идентификация, объекта, т. е. установление его принадлежности к некоторому классу деталей

6) интерпретация, т. е. выявления принадлежности объекта к группе рас­познаваемых.

В соответствии с тем, какие этапы преобразования информации реали­зуются в конкретной системе, ее можно отнести к СТЗ высокого, среднего или низкого уровня. Так, задачи, решаемые СТЗ низкого уровня, ограничи­ваются восприятием и предварительной обработкой информации. В СТЗ среднего уровня решаются задачи сегментации, описа­ния и распознавания отдельных объектов.

Датчики изображения

В настоящее время промышленно выпускают датчики изображения для самых разных целей (производственных, медицинских, военных и др.).

Независимо от назначения и принципа действия все они содержат оптоэлектронный преобразователь, служащий для преобразования сфокусированного оптического изображения в электрический видеосигнал. Это изображение формируется в ЧЭ преобразователя, который изменяет свое состояние под действием излучения объекта. Если излучение лежит в диапазоне длин волн X = 0,38. 0,78 мкм (видимый свет), датчик относится к классу видеокамер, если в диапазоне 0,78. 1000 мкм — к классу телевизионных инфракрасных камер.

Датчики изображения подразделяют по трем основным признакам:

1) по размерности — точечные (фотоэлементы), одномерные (линейки) и двумерные (матрицы);

2) по способу преобразования светового сигнала — вакуумные (видиконы, диссекторы и др.) и твердотельные (датчики на основе приборов с заря­довой связью и фотодиодов);

3) по рабочему диапазону длин волн — датчики, работающие в диапазо­не видимых волн, инфракрасные (в том числе тепловые) и специальные.

Основными характеристиками датчиков изображения являются:

· Чувствительность Sтелекамеры характеризуется минимальной освещен­ностью рабочей сцены, при которой обеспечивается заданная разре­шающая способность.

· Спектральная характеристика телекамеры зависит от материала ЧЭ се оп-тоэлектроиного преобразователя. Промышленно выпускают телекамеры, работаюпше в диапазоне видимого света, ультрафиолетовом, инфракрасном и рентгеновском диапазонах.

Передающие вакуумные электронно-лучевые прибо­ры.

Их отличительной особенностью является использование сфокусированного в электронный луч потока электронов, взаимодействующего с мишенью (фотокатодом) из свето­чувствительного материала, на которую проецируется изображение рабочей сцены.

Электронный луч формируется электронным прожектором, а его движение регулируется с помощью фокусирующей отклоняющей системы, реализующей развертку луча по поверхно­сти мишени.

В зависимости от способа съема сигнала различают два основных типа передающих ЭЛП: без накопления заряда (диссекторы) и с накоплением заряда (суперортиконы и видиконы).

Диссектор обладает наивысшими среди всех передающих ЭЛГТ чувствительностью и быстродействием. Принцип действия диссектора основан на внешнем фотоэффекте. его достоинством является возможность формирования различных траекторий развертки.

К недостаткам диссектора можно отнести его сравнительно большие габаритные размеры.

Суперортикон представляет собой высокочувствительный передающий ЭЛП с несколькими каскадами усиления, работающий по принципу накоп­ления зарядов. Изображение переносится с фотокатода суперортиконы, как и диссекторы, способны работать практически в пол­ной темноте. Их основные недостатки связаны со значительными размера­ми, малой контрастной чувствительностью и сравнительно невысоким диа­пазоном изменения освещенности. В настоящее время суперортиконы ис­пользуют во многих телевизионных системах.

Самый распространенный вакуумный датчик изображения — видиконпредставляет собой малогабаритный передающий ЭЛП с накоплением заря­да, действие которого основано на внутреннем фотоэффекте.Видиконы до настоящего времени широко используют для получения высококачественных изображений. Их достоинства: высокая чувствитель­ность и разрешающая способность, широкий температурный диапазон (-80 . +120 С), радиационная стойкость. К недостаткам видиконов необ­ходимо отнести инерционность, значительные размеры и хрупкость.

Кодирование видеосигнала

Кодирование видеосигнала, каки звукового сигнала, предполагает использование линейной импульсно-кодовой модуляции. Полоса частот, необходимая для обеспечения требуемой пропускной способности, зависит от характеристик канала.

Импульсно-кодовая модуляция является, как правило, базовым методом цифрового кодирования источников изображений. Он характеризуется тем, что каждому закодированному в цифровую форму слову на выходе соответствует квантованный по времени и амплитуде отсчет видеоинформации на входе.

Импульсно-кодовой модуляции присуща значительная избыточность в передаваемой информации. Это связанно с самой сущностью видеоинформации. Ведь, несмотря на равновероятность любых из возможных уровней яркости (цветности) соседних элементов, изображение их мало отличается или не отличается вовсе.

В последнее время оптические диски высо­кой плотности (DVD) стали заменять магнитную ленту. Информация хранится на дорожках дисков в виде последовательности бинарных элементов с разной отражательной способностью. Емкость оптических носителей DVD достигает 40 Гбайт при пропускной способности канала более 20 Мбит/с. Кроме кодирования необходимо сжатие изображения. Степень сжатия изображения равна отношению разме­ра исходного изображения к размеру изображения после сжатия.

Распознание объекта

Условно все методы распознавания можно разделить на две группы: теоретические и структурные. Наиболее распространенные теоретические методы распознавания используют принципы теории принятия решений.

Определить реальное значение признаков объекта невоз­можно, так как значения различаются при каждом измерении. Поэтому за­дача распознавания ставится так: определить вероятность того, что объект принадлежит к заданному классу.

Одно из наиболее интересных направлений распознавания образов в СТЗ связано с разработкой алгоритмов распознавания лиц. Алгоритм распознавания (верификации) близок к алгоритму регистра­ции. Выделенные из текущего изображения признаки объединяются в век­тор признаков, компоненты которого сравниваются с соответствующими компонентами всех векторов, содержащихся в базе данных.

Особенности получения трехмерного изображения

Трехмерное изображение может быть получено с помощью двух телекамер или с помощью специаль­ных приемов. При использовании двух телекамер каждая из них обрабаты­вает свой плоский 2Д-образ. Если известна ориентация каждой телекамеры и расстояние между ними, всегда можно восстановить третью координату объекта (о

Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ — конструкции, предназначен­ные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой.

Папиллярные узоры пальцев рук — маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни.

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.


Статьи

Фотоэлектрические датчики

08 сентября 2009 г.

Автор: Смирнов Борис, инженер

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

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»

Электроника для всех

Блог о электронике

Фотодатчик. Часть 1

Наверняка многим захочется присобачить к AVR фотодетектор, чтобы отслеживать хотя бы наличие или отсутствие света. Это полезно как для роботостроителей, так и для тех кто делает всякую автоматику. Итак, кратко опишу какие бывают фотодетекторы.

Фоторезистор
ИМХО вымирающий вид. Последний раз я его видел еще в детстве. Обычно представляет собой такой металический кругляк со стеклянным окошком, в котором видна этакая сероватая зигзагообразная дорожка. При освещении его сопротивление падает, правда незначительно, раза в три четыре.

Фототранзистор
Последнее время я на них натыкаюсь постоянно, неиссякаемый источник фототранзисторов — пятидюймовые дисководы. Последний раз я, по цене грязи, надыбал на радио барахолке штук 5 платок от дисковертов, там светотранзисторы стоят напротив дырок контроля записи и вращения дискеты. Еще сдвоенный фототранзистор (а может и фотодиод, как повезет) стоит в обычной шариковой мышке.
Выглядит как обычный светодиод, только корпус прозрачный. Впрочем, светодиоды тоже такие же бывают так что перепутать кто из них кто раз плюнуть. Но это не беда, партизан легко вычисляется обычным мультиметром. Достаточно включить омметр между его эмитером и коллектором (базы у него нет) и посветить на него, как его сопротивление рухнет просто катастрофически — с десятков килоом до считанных ом. Тот который у меня в детекторе вращения шестерен в роботе меняет свое сопротивление с 100кОм до 30 Ом. Работает фототранзистор подобно обычному — держит ток, но в качестве управляющего воздействия тут не ток базы, а световой поток.

Фотодиод
Внешне ничем не отличается от фототранзистора или обычного светодиода в прозрачном корпусе. Также порой встречаются древние фотодиоды в металлических корпусах. Обычно это совковые девайсы, марки ФД-чето там. Такой металлический цилиндрик с окошком в торце и торчащими из задницы проводками.

В отличии от фототранзистора, может работать в двух разных режимах. В фотогальваническом и фотодиодном.
В первом, фотогальваническом, варианте фотодиод ведет себя как солнечная батарейка, то есть посветил на него — на выводах возникло слабенькое напряжение. Его можно усилить и применить =). Но куда проще работать в фотодиодном режиме. Тут мы подаем на фотодиод обратное напряжение. Поскольку он хоть и фото, но диод, то в обратную сторону напряжение не пойдет, а значит его сопротивление будет близко к обрыву, а вот если его засветить, то диод начнет очень сильно подтравливать и сопротивление его будет резко падать. Причем резко, на пару порядков, как у фототранзистора.

Спектр
Кроме типа прибора у него еще есть рабочий спектр. Например, фотодетектор заточенный на инфракрасный спектр (а их большинство) практически не реагирует на свет зеленого или синего светодиода. Плохо реагирует на лампу дневного света, но хорошо реагирует на лампу накаливания и красный светодиод, а уж про инфракрасный и говорить нечего. Так что не удивляйся если у тебя фотодатчик плохо реагирует на свет, возможно ты со спектром ошибся.

Подключение
Теперь пора показать как это подключить к микроконтроллеру. С фоторезистором все понятно, тут заморочек нет никаких — берешь и подцепляешь как по схеме.
С фотодиодом и фототранзистором сложней. Надо определить где у него анод/катод или эмитер/коллектор. Делается это просто. Берешь мультиметр, ставишь его в режим прозвонки диодов и цепляешься на свой датчик. Мультиметр в этом режиме показывает падение напряжения на диоде/транзисторе, а падение напряжения тут в основном зависит от его сопротивления U=I*R. Берешь и засвечиваешь датчик, следя за показаниями. Если число резко уменьшилось, значит ты угадал и красный провод у тебя на катоде/коллекторе, а черный на аноде/эмитторе. Если не изменилось, поменяй выводы местами. Если не помогло, то либо детектор дохлый, либо ты пытаешься добиться реакции от светодиода (кстати, светодиоды тоже могут служить детекторами света, но там не все так просто. Впрочем, когда будет время я покажу вам это технологическое извращение).

Теперь о работе схемы, тут все элементарно. В затемненном состоянии фотодиод не пропускает ток в обратном направлении, фототранзистор тоже закрыт, а у фоторезистора сопротивление весьма высоко. Сопротивление входа близко к бесконечности, а значит на входе будет полное напряжение питания aka логическая единица. Стоит теперь засветить диод/транзистор/резистор как сопротивление резко падает, а вывод оказывается посажен наглухо на землю, ну или весьма близко к земле. Во всяком случае сопротивление будет куда ниже 10кОмного резистора, а значит напряжение резко пропадет и будет где то на уровне логического нуля. В AVR и PIC можно даже резистор не ставить, вполне хватит внутренней подтяжки. Так что DDRx=0 PORTx=1 и будет вам счастье. Ну а обратывать это как обычную кнопку. Единственная сложность может возникнуть с фоторезистором — у него не настолько резко падает сопротивление, поэтому до нуля может и не дотянуть. Но тут можно поиграть величиной подтягивающего резистора и сделать так, чтобы изменения сопротивления хватало на переход через логический уровень.

Если надо именно измерять освещенность, а не тупо ловить светло/темно, то тогда надо будет подцеплять все на АЦП и подтягивающий резистор делать переменным, для подстройки параметров.

Есть еще продвинутый тип фотодатчиков — TSOP там встроенный детектор частоты и усилитель, но о нем я напишу чуть попозже.

З.Ы.
У меня тут некоторые запарки, поэтому сайт будет сильно тупить с обновлением, думаю это до конца месяца. Дальше надеюсь вернуться в прежний ритм.

Фотоэлектрический датчик: принцип работы + схемы

Трудно указать те области техники, где бы не применялись различные типы бесконтактных фотодатчиков. Это автостопы, датчики-индикаторы, сигнализаторы, измерители технологических параметров, счетчики импульсов и др.

Как показывает практика, использование фотодатчиков в качестве датчиков положения движущихся объектов накладывает повышенные требования к точности датчика. Например, точность датчика исходного положения — «нуля» координат — механизма подачи станка с программным управлением существенно влияет на качество обработки детали.

Исследования различных схемотехнических решений фотодатчиков показали, что наибольшее влияние на точность фотодатчиков оказывает локальный прогрев светочувствительного элемента — фотодиода и усилительных элементов схемы — транзисторов, микросхем. Не менее важную роль играет и конструктивное исполнение датчика. Как правило, высокоточные фотодатчики предполагают термостатирование электронной части датчика и принудительное охлаждение фотодиода.

Предлагаемый вниманию читателей фотодатчик предназначен для точного определения исходного или любого другого фиксированного положения движущегося объекта. Заданная точка позиционирования регистрируется фотодатчиком с максимальной погрешностью 0,01 мм. Этого удалось достигнуть за счет значительного уменьшения потребляемого тока фотодатчика (а следовательно, и его прогрева) по сравнению с известными схемами (1, 2). Простота схемной реализации и высокая надежность датчика позволяют рекомендовать его к использованию во всех вышеназванных устройствах.

Основными элементами датчика являются фотодиод VD2 и логический элемент DD1.1 (рис. 1).

Если шторка, механически связанная с подвижным объектом, не перекрывает излучение светодиода VD1, то фотодиод VD2 находится в фотогенераторном режиме. При этом он вырабатывает на своих выводах отрицательную ЭДС около — (0,2. 0,4) В. И поскольку резистор R2 имеет большое сопротивление (1 МОм), то напряжение на выходе 3 инвертора DD 1.1 соответствует высокому логическому уровню. При затемнении фотодиода VD2 шторкой выход элемента DD1.1 переходит в состояние логического 0. Это происходит за счет того, что темновое сопротивление фотодиода VD2 очень велико (прим. 10 МОм).

Использование в качестве усилительного органа микросхемы КМОП структуры позволило довести потребляемый ток фотодатчика (естественно, без токов нагрузки и светодиода) до наноамперного уровня. Вследствие этого флуктуационные явления в кристаллах фотодиода и микросхемы, вызываемые внутренним прогревом, минимальны. Этим и объясняется высокая точность срабатывания фотодатчика.

Элементы DD1.3 и DD1.4 образуют RS-триггер, позволяющий зафиксировать точку позиционирования датчиком при «дрожании» шторки, перекрывающей световой поток. Элемент DD1.2 выполняет функцию инвертирования сигналов, подаваемых на входы триггера. Выходным элементом датчика является транзистор VT1, к коллектору которого подключаются нагрузки (например, показанные пунктиром реле с защитным диодом).

Для повышения помехоустойчивости и четкости срабатывания датчика на очень низких скоростях перемещения шторки (до 5 мм/мин), а также в условиях повышенных ее вибраций, можно использовать датчик по схеме, изображенной на рис. 2.

Рис. 2. Схема помехоустойчивого фотодатчика

В эту схему введен триггер Шмитта (DD 1.1, DD1.2), гистерезисную петлю которого можно настроить с помощью резисторов R4, R5.

Рассмотрим работу датчика по схеме рис. 2, в цикле подхода и ухода шторки, подвергнутой вибрациям, к заданной точке позиционирования. При этом форма сигнала в точке А может меняться по кривой, приведенной на рис. 3, в.

Рис. 3. Графики работы помехоустойчивого фотодатчика: 1 — гистерезисная петля триггера; 2 — сигнал на выходе датчика; 3 — входной сигнал.

В момент времени l1 (точка 1) триггер Шмитта переключится в состояние высокого логического уровня. Несмотря на то, что сигнал в точке А в последующие моменты времени может стать несколько ниже первоначального уровня срабатывания (например, точка 3), триггер Шмитта, благодаря наличию гистерезисной петли (рис. 3, а), не вернется в исходное положение. Возврат в «нулевое» состояние произойдет лишь тогда, когда сигнал в точке А достигнет определенного уровня, так называемой точки отключения (точка 2).

Выходной сигнал датчика иллюстрируется графиком, приведенным на рис. 3, б.

Требуемую ширину петли гистерезиса можно рассчитать по следующему выражению:

При требовании изменения полярности выходного сигнала датчика, в зависимости от алгоритма его работы, необходимо переключить резистор R3 от точки В в точку С RS-триггера.

Если возникла необходимость подстройки точки срабатывания датчика в пределах нескольких микрометров, то входной узел датчика можно выполнить по одной из схем рис. 4.

Рис. 4. Схемы регулирования точки срабатывания фотодатчика: а — на элементе И—НЕ; б — на элементах ИЛИ—НЕ

Регулировочным элементом здесь является переменный резистор R.

Если фотодиод VD2 размещен на расстоянии более 0,5 м о-т электронной схемы датчика, то связи схемы и фотодиода необходимо выполнять экранированным проводом. Повышению помехоустойчивости датчика в этом случае будет также способствовать и применение RC-фильтра в сигнальной цепи, который подбирается экспериментально.

Повысить точность срабатывания датчика можно за счет уменьшения площади светочувствительной области фотодиода VD2. Для этого его накрывают металлическим колпачком с отверстием 0,5. 1,0 мм2

Вместо микросхем серии К176 можно использовать микросхемы серии К564 или К561.

Описанный датчик сохраняет работоспособность при изменениях напряжения питания от 4 до 9 В. В отдельных случаях необходим лишь подбор резистора R1, определяющего ток светодиода VD1.

Датчик света для уличного освещения: схемы подключения, самостоятельное изготовление и пошаговая инструкция монтажа

Какие датчики света встречаются в магазинах, как правильно их подключать к уже сформированной системе освещения? Как сделать такое устройство самостоятельно в домашних условиях и что для этого понадобится, а также пошаговая инструкция — все это в нашей статье.

Датчик света для уличного освещения – устройство, с помощью которого фонарь, лампа или любой другой источник освещения будет включаться автоматически при наступлении сумерек. Принцип работы его заключается в реагировании на уровень освещенности. Основа такого устройства – это фоторезистор, полупроводник, сопротивление которого меняется в зависимости от уровня освещения (количества света, которое на него попадает).

Варианты применения фотореле

Самый простой вариант – подключение фонаря, который будет автоматически включаться, когда на улице становится слишком темно (в вечернее или ночное время суток). Если добавить к нему ещё и датчик движения, то получится автоматизированное освещение с функцией экономии электроэнергии. Второй вариант – монтаж освещения в подъезде. Но здесь фотореле потребуется «вынести» на улицу в то место, на которое не будет попадать тень.

Почему не заменить такое фотореле обычным таймером или системой, которая будет включать освещение «по будильнику»? Потому что период наступления сумерек каждый месяц наступает на 30 минут раньше или позже. В апреле, к примеру, в 18:30, а в августе – уже в 21:30. Так что пришлось бы ежемесячно (если не еженедельно) корректировать работу таймера и выставлять другое время для включения. С датчиками освещения такого недостатка нет – они реагируют именно на яркость, поэтому подстраиваются автоматически.

Принцип работы датчика света для уличного освещения

В основе датчика света – фоторезистор. Точно такой же устанавливается, например, в современных смартфонах – с его помощью гаджет определяет уровень яркости освещения и подстраивает интенсивность подсветки (экономит заряд аккумулятора). В датчиках света фоторезистор включен в схему автоматического тумблера – он включается или выключается при наступлении темноты. Использовать его можно не только для уличного освещения, а и, к примеру, для включения автоматического полива (в вечернее время суток).

Современные фотореле, реагирующие на интенсивность освещения, которые продаются в строительных магазинах, также снабжаются реостатом – с его помощью можно отрегулировать чувствительность фоторезистора. Такие модели и рекомендуется использовать, так как в зимнюю пору освещение на улице менее яркое. Без настройки чувствительности датчик будет срабатывать и днём.

Какие бывают фотореле

В магазинах встречаются два типа фотореле:

  1. Классические фотореле.Простая конструкция, минимум функционала. Стоят дешево, но во многих из таких не предусмотрено даже корректировки реакции по интенсивности внешнего освещения.
  2. Сумеречное реле.Под этим названием продаются «умные» датчики, где можно настраивать уровень срабатывания, сам индикатор освещенности может быть выносным с подключением через само реле. В сумеречных нередко имеется возможность подключения сразу до 5 дополнительных индикаторов, причем, для каждого из них можно задавать индивидуальные настройки срабатывания. Стоят в разы дороже простых фотореле.

Какие степени защиты бывают у фотореле

Обозначается как IP 44, IP67, IP 69. Обращать внимание следует на последнюю цифру: чем она выше, тем лучше защита от влаги (первая цифра – это степень защиты от проникновения посторонних предметов). Соответственно, для установки датчика на улице следует отдавать предпочтение тем, у которых класс защиты 45 или выше. Более низкий класс подойдет только для установки в тех местах, которые тщательно защищены от попадания влаги.

Таблица 1. Степени защиты.

Класс защиты Для каких случаев подойдет
IP45 Защита от попадания влаги под любым углом и проникновения предметов диаметром 1 мм или больше
IP67 Защита от проникновения внутрь корпуса пыли, выдерживает кратковременные погружения в воду на глубину до 1 метра
IP69 Полная защита от проникновения пыли, постоянное нахождение в воде не навредит устройству
IP33 Защита от попадания внутрь объектов диаметром 2,5 мм или больше, защищает от попадания капель внутрь корпуса

Ещё следует обращать внимание на температурный диапазон, при котором датчик срабатывает корректно. В большинстве моделей рабочая температура – от -20 до +50 градусов по Цельсию. При более низких температурах он может срабатывать некорректно. Связано это с изменением сопротивления полупроводникового фоторезистора при снижении температуры окружающей среды (будет включаться, даже если на улице очень ярко). В более современных датчиках для нивелирования такого недостатка имеются переключатели типа «зима-лето» — он включает в цепь дополнительный резистор.

По типу ламп

Простые фотореле с 3 контактами подходят для подключения только ламп накаливания. Энергосберегающие (светодиодные, галогенные, газоразрядные, люминесцентные) к таким подключаются только через специальный адаптер (для светодиодных – с преобразованием в постоянный ток, для люминесцентных или газоразрядных – с пусковым реле, повышающим «стартовый» ток). Во многих современных энергосберегающих лампах имеются встроенные блоки управления – если таковой имеется, то их подключать можно напрямую.

Обратите внимание! С какими лампами работает тот или иной датчик освещения, указывается производителем на самой упаковке. Там же имеется обозначение допустимой нагрузки на датчик (в Ваттах или Вольт-амперах). Что будет, если подключить несовместимую лампу к датчику? В лучшем случае – ничего не произойдет, включаться освещение не будет. В худшем – лампа или реле попросту сгорит из-за несовместимых токов (превышение допустимой нагрузки или вольтажа).

По напряжению

Самые распространенные – на 12В и 220В. Первые рассчитаны на работу с постоянным током (можно запитать от автомобильного или любого другого аккумулятора), вторые – с переменным (подключаются к бытовой электросети или бензогенератору). Реле на 12В может понадобиться, к примеру, если в качестве уличного освещения будет использоваться светодиодная лента. В остальных случаях, как правило, используется датчик на 220В.

По методу управления

По методу управления датчики бывают:

  1. С принудительным выключением.То есть, после срабатывания они продолжают работать до тех пор, пока не отключат питание или вручную не выключат реле.
  2. С автоматическим отключением.В плане устройства – такие же, как и с принудительным выключением.
  3. С функцией энергосбережения.Такие дополнительно снабжены датчиком движения или датчиком звука. Включаются только при обнаружении движения или стороннего шума. В отличии от остальных – позволяют освещению работать короткими сессиями, что позволит сэкономить на электроэнергии. Такие следует брать, если все уличное освещение потребляет свыше 300 – 500 Ватт*час.
  4. Программируемые.Это те самые сумеречные реле с множеством настроек и корректировок. Такие датчики нередко снабжаются дисплеем, несколькими дополнительными реостатами и тумблерами.

Классификация по мощности

Обозначается в киловаттах (кВт). В некоторых датчиках обозначается в ВА (вольт-ампер). Преобразовывается по формуле: 1000 ВА – это 1 кВт. Так как на вход датчика подают фазу – через него в буквальном смысле проходит весь ток, подаваемый на осветительные приборы. Указывается в кВт*ч. Чаще всего встречаются датчики с ограничением до 1,2,3, и 5 кВт. Для бытового применения применяются в большинстве случаев с ограничением до 1 и до 2 кВт.

Как правильно подобрать датчик по этому параметру? Суммировать потребление всех ламп освещения, которые планируется подключить к датчику освещения. Для «запаса мощности» рекомендуется оставить примерно 30 – 40% от исходной мощности. То есть, если у датчика предел в 1 кВт, то не рекомендуется его нагружать более 600 – 700 Вт*ч. В противном случае – он прослужит гораздо меньше времени из-за постоянного перегрева фоторезистора и диодного моста.

Узнайте, что такое проходной выключатель, а также ознакомьтесь с его описанием и разновидностями, в специальной статье на нашем портале.

Цены на датчики включения света

Где размещать датчик освещения

Подключенный датчик освещения размещать рекомендуется в том месте, где круглые сутки (имеется ввиду, весь световой день) попадают солнечные лучи. Если расположить его там, где от близ расположенных деревьев попадает тень, то датчик может срабатывать некорректно, особенно в пасмурные дни.

Видео — Устройство сумеречного датчика и фотоэлемента

Если датчик не имеет влагозащиты, то располагать его следует только в герметичной капсуле, но прозрачной. Пластиковая бутылка отлично подойдет на этот счет, можно использовать специализированные уличные боксы для электропроводки – в них предусмотрено крепление под кирпичную или бетонную стену. Если же класс защищенности IP67 или выше, то беспокоиться о влагозащите не нужно.

Ещё следует придерживаться следующих советов:

  • не размещать вблизи датчика искусственные источники света, подальше от ламп и фонарей;
  • не размещать на высоте менее 2 метров, в противном случае – на него может попадать от фар автомобилей;
  • в доступном месте (датчик, а точнее – сенсор, необходимо регулярно очищать от загрязнений, снега для его корректной работы).

Как сделать датчик освещения самостоятельно

Датчик света для уличного освещения сделать самостоятельно вполне реально, потребуются лишь базовые навыки работы с паяльником, а также умение читать электрические схемы. Самый простой датчик состоит из двух транзисторов (типа КТ315Б), фоторезистора, переменного резистора (он же выступает в качестве реостата для регулировки уровня срабатывания), а также реле (3-контактный, 2-х контактный подойдет для реле с ручным выключением). Единственный недостаток такого датчика освещения – это высокая вероятность ложного срабатывания из-за самоиндукции. Устранить такой недочет можно с помощью диода, которые будет «обрывать» возникающий индукционный ток.

Совет! Где найти схемы таких устройств? Их полно на тематических форумах радиолюбителей. В качестве примера можно привести самые распространенные датчики для их сборки в домашних условиях.

Если с чтением схем дела обстоят не лучшим образом, то можно приобрести готовую плату, но без фоторезистора, приобрести в Китае – на том же Aliexpress таковых предлагается огромное количество по цене от 10 – 15 рублей и выше. Останется добавить только необходимый вариант фоторезистора и припаять 3 входных проводника (можно провод или клеммник – что кому удобней).

Также для датчика необходимо смастерить защитный корпус, обязательно прозрачный, чтобы пропускать солнечные лучи к фоторезистору. Опять же – для этой цели подойдет пластиковая бутылка или стеклянная банка.

Видео — Датчик света своим руками из комплектующих

Схема подключения датчика освещения — пошаговая инструкция

В датчиках освещения, как правило, имеется всего 3 контакта. Обозначаются тремя цветами: черный, красный, желтый (его могут менять на синий, коричневый, розовый, белый). На черный необходимо подавать фазу, на красный – ноль. Третий контакт – выходной, с него подается фаза на осветительный прибор (или распределительную коробку, с которой подключается уличное освещение). Дополнительный ноль для освещения берется непосредственно с щитка, его также можно вывести с любой другой электрической цепи дома.

Есть модели датчиков, у которых имеется 4 и 5 проводов. Они позволяют подключить сразу несколько линий, то есть, внутри фаза распределяется на 2 или 3 выходных контакта. Маркируются чаще всего аналогично: вход на фазу и ноль соответственно черного и красного цветов, остальные контакты – дополнительным цветом.

Но вышеуказанный принцип маркировки соблюдается далеко не всеми производителями, поэтому перед монтажом обязательно необходимо ознакомиться с приложенной инструкцией. В датчиках, где вместо входных проводов стоят клеммники вообще никаких обозначений может не быть.

В сумеречных реле принцип подключения аналогичный, но в большинстве моделей предусмотрен также выход на ноль. То есть, подводить его отдельно к освещению не нужно – провода выводятся непосредственно из реле. Но это является одновременно и недостатком – сам датчик получается массивным, под него приходится выделять отдельную распределительную коробку.

Внимание! Если производится подключение мощного фонаря (прожекторы, лампы накаливания мощностью 250 Ватт или более), то в схему добавляется магнитный пускатель – он как раз и рассчитан на прохождение через датчик пускового тока. Во многих сумеречных реле он предустановлен (указано в инструкции).

После установки останется только отрегулировать работу датчика. В большинстве моделей для этого предусмотрен регулятор под крестовую отвертку. Выполнять корректировку срабатывания следует в то время суток, когда и необходимо включать освещение.

Цены на аккумуляторные отвертки

Итого, алгоритм подключения датчика будет следующим:

Шаг 1. Подвести электролинию в место установки датчика. Потребуется фаза и ноль. Не обязательно заводить с щитка, если общая нагрузка не будет превышать 0,5 — 1 кВт.

Шаг 2. Развести электропроводку для подключения освещения (если фотореле одно, то вывод с одной линии следует пускать на распределительную коробку). С места подключения фотореле выводится фаза, ноль заводится с щитка или другой линии электропроводки.

Шаг 3. Подключить фотореле по схеме, указанной в инструкции (предварительно обесточив линию).

Шаг 4. Подключить выход с датчика к линии освещения (выход — это фаза).

Шаг 5. Тестовое включение линии.

Шаг 6. Проверка работоспособности датчика, если необходимо — регулировка степени срабатывания.

Обзор популярных моделей датчиков уличного освещения

Что касательно производителей, то спросом пользуется продукция следующих брендов:

Во многих интернет-магазинах самыми продаваемыми являются следующие модели:

  1. Euroelectric 10А NEW.Пластиковый корпус, есть настенное крепление, подходит для подключения одной линии. Максимальная сила тока – 10А, рабочая – до 6А (1,3кВт). Из настроек – только регулятор чувствительности. Одна из самых простых моделей, но весьма надежная. Средняя цена – 600 рублей.
  2. ПромАвтоматика ФРА 1-10.Универсальное реле, подходит не только для уличного освещения, а для включения любых электрических приборов. Максимальная сила тока – 10А, стоимость – 400 рублей.
  3. Theben LUNA 122 top2.Сумеречное реле с креплением под DIN-рейку. Профессиональная модель, масса настроек (чувствительность, отсрочка срабатывания, подключение дополнительных датчиков, функция таймера и так далее). Может использоваться для контроля уличного освещения на огромных участках с подключением в несколько раздельных линий. Средняя цена – 17 тысяч рублей.
  4. Eurolamp ST-303WSR.Есть регулировка порога срабатывания, максимальная сила тока – 25А. Но обладает низкой защитой от проникновения влаги, поэтому устанавливается только в сухих местах или в защитный корпус. Средняя цена – 350 рублей.

Кстати, если изготавливать фотореле самостоятельно, то обойдется оно всего в 50 – 100 рублей – именно столько стоят все необходимые комплектующие в магазинах радиотоваров.

Заключение

Также, обратите внимание на материал по теме — Как подключить датчик движения для освещения, где мы рассмотрели простые варианты монтажа, как внутри помещения, так и снаружи.

Итого, датчик освещения с конструктивной точки зрения – достаточно простой прибор. Это тот же самый автоматический включатель, но в качестве индикатора в нем используется фоторезистор, реагирующий на степень окружающего освещения. При его правильном использовании (с добавлением энергосберегающего режима и датчика движения) на постоянном уличном освещении в течение года можно сэкономить свыше 2 тысяч рублей, так что устройство окупается достаточно быстро.

Фотоэлектрические датчики

Оптические чувствительные элементы, использующие принцип фотоэффекта, называются фотоэлектрическими датчиками.

Принцип фотоэффекта заключается в том, что при освещении поверхности металлов или полупроводников частицы лучистой энергии сообщают электронам освещенного вещества дополнительную энергию. В результате этого ускоряется перемещение электронов, они отделяются от атома и возникает или изменяется сила (напряжение) электрического тока.

Различают внешний, внутренний и вентильный фотоэффекты.

При внешнем фотоэффекте освободившиеся электроны покидают освещенное вещество, а при внутреннем остаются в освещенном веществе, повышая его электропроводность.

Вентильным называется промежуточный фотоэффект, при котором освободившиеся электроны переходят из слоя освещенного в слой неосвещенного вещества, отделенного тонким изоляционном или «запирающим» слоем. Ввиду недостатка электронов в одним слое и избытка их в другом, между слоями !^возникает электродвижущая сила.

Различают фотоэлементы с внешним, внутренним и вентильным фотоэффектами. Электрический ток при воздействии лучистой энергии без каких-либо дополнительных источников создают только фотоэлементы с вентильным фотоэффектом.

Наиболее часто фотоэлементы используются в качестве датчиков, реагирующих на появление или исчезновение светового луча. Наиболее распространены фотоэлементы с внешним фотоэффектом. Такой элемент представляет собой вакуумную или газонаполненную лампу (рис. 29,а) с катодом 2 из фоточувствительного слоя (обычно цезиевого или сурымяноцезиевого) и анодом 1, выполненным в виде металлической пластинки или кольца. Фоточувствительный слой нанесен поверх тончайшего слоя серебра, которым покрыта часть внутренней поверхности колбы лампы. Вакуумные фотоэлементы практически безынерционны, однако дают меньший фототок, по сравнению с газонаполненными элементами, характеризующимися некоторой инерционностью.

Достоинством фотоэлементов с внешним фотоэффектом является линейность их световых характеристик , т. е. зависимости фототока от величины светового потока (рис. 29,6). Из графика видно, что величина фототока /ф зависит от величины напряжения, приложенного к фотоэлементу.

Чувствительность вакуумных фотоэлементов, выпускаемых в СССР, составляет около 20, а газонаполненных — 120 мка/лм.

Чувствительность фотоэлемента, работающего на сопротивление уменьшается и может быть определена по формуле
і
где:
— статическая чувствительность фотоэлемента при отсутствии сопротивления нагрузки;
— динамическая чувствительность фотоэлемента при наличии сопротивления;
— внутреннее сопротивление фотоэлемента;
— сопротивление нагрузки.

За последнее время значительное распространение начинают получать особые вакуумные фотоэлементы, принцип действия которых основан на следующем явлении.

В результате действия лучистой энергии на катод фотоэлемента возникает эмиссия электронов, излучаемых катодом, и в фотоэлементе появляется первичный электронный ток. Если эту первичную эмиссию направить на второй катод (например, кислородно-цезиевый), подключенный к батарее электрического тока, то такой катод (эмиттер) также будет «выбрасывать» электроны — возникнет вторичная эмиссия. Вторичный электронный ток в несколько раз больше первичного и может быть направлен на следующий эмиттер для нового усиления. Этот метод усиления электронного тока называют «электронным умножением», а приборы, основанные на использовании его,- фотоумножителями.

Схема многокаскадного фотоумножителя приведена на рис. 30,а. Световой поток Ф попадает на катод К фотоумножителя и «выбивает» из него гп\ электронов, которые, получая ускорение от напряжения, снимаемого с сопротивления R, «бомбардируют» эмиттер Зі, «выбивая» из него увеличенное число т2 вторичных электронов. Далее поток количественно увеличивающихся электронов последовательно переносится на эмиттеры Э2, Э3, Э4 и анод А. В цепь фототока умножителя включены сопротивление Ra и измерительный прибор. Для усиления фототока фотоумножитель подключается к усилителю через нагрузочное сопротивление R„, как показано пунктиром.

По внешнему виду (рис. 30,6) фотоумножители напоминают вакуумные фотоэлементы обычного типа.
Отношение числа т2 вторичных электронов к числу Jnl первичных называется коэффициентом вторичной эмиссии (a = m^/m|) материала, равным обычно 4-:-6.
Полный фототок на выходе фотоумножителя:

где:
— фототок катода;
— число дополнительных электродов;
— чувствительность фотокатода в а/лм;
— коэффициент усиления фотоумножителя;
— общая чувствительность фотоумножителя. Фотоумножителипрактически безынерционны. Их световая
характеристика линейна в широком диапазоне изме
нений светового потока.

В табл. 14 даны технические характеристики вакуумных и газонаполненных фотоэлементов.

Фотоэлемент с внутренним фотоэффектом (фотосопротивление) состоит из диэлектрической пластинки I (рис. 31,а) и тонких металлических проволок 2 и 4. На проволоки (решетки) наносится тонкий слой 3 селена, сернистых таллия, свинца или висмута. При изменении освещенности Ф фотоэлемента его сопротивление изменяется, что регистрируется электрическим измерительным прибором 5, включенным в цепь электрической батареи 6.

Световая характеристика фотосопротивления,т. е. зависимость величины фототока от освещенности поверхности фотоэлемента при одном и том же напряжении, показана на рис. 31,6. Особенностью характеристики является ее нелинейность и падение чувствительностипри увеличении освещенности. Величина чувствительности — может быть определена изхарактеристики как тангенс угла наклона кривой к оси недостаткам фотосопротивлений относится значительная их инерционность и зависимость световой характеристики от температуры элемента.

При использовании фотосопротивления для приведения в действие исполнительных механизмов применяют промежуточные реле и электронные усилители (см. гл. V).

Фотосопротивления выполняются в виде штепсельных вилок, в которые заделаны чувствительные элементы.

Характеристики фотоэлементов с внутренним сопротивлением приведены в табл. 15.

Принцип действия вентильных фотоэлементов с «запирающим» слоем состоит в следующем. Световой поток Ф (рис. 32,а), проходя через полупрозрачный проводник

4 одного из контактов фотоэлемента, попадает на границу между тончайшим запирающим слоем 3 и полупроводником 2, т. е. светочувствительным слоем, нанесенным на металлическую подкладку 1 второго контакта фотоэлемента. Полупроводник и проводник заряжаются разноименно, так как запирающий слой обладает способностью пропускать электроны, освобождаемые из металла под действием света, только в одном направлении.

В настоящее время известны медно-закисные, железо-селеновые, с фронтовым фотоэффектом, серно-серебряные, серно- таллиевые и другие вентильные фотоэлементы.

Световые характеристикифотоэлементов при различных нагрузочных сопротивлениях н приведены на рис. 32,6.

Линейный характер зависимости фототока /ф от освещенности Ф нарушается с увеличением нагрузочного сопротивления.

Фототок /ф вентильного фотоэлемента крайне незначителен и поэтому для приведения в действие исполнительных механизмов применяют промежуточные высокочувствительные реле.

Вентильные фотоэлементы применяются главным образом в измерительной технике. Они не нуждаются в дополнительном источнике питания, так как вырабатывают электрическую энергию. К недостаткам вентильных фотоэлементов относится низкая чувствительность по напряжению, значительная зависимость параметров от температуры, сравнительно большая инерционность, линейность световой характеристики лишь при слабых световых потоках и необходимость включения на низкоомную нагрузку [62, 74]. В табл. 16 приведены технические характеристики вентильных фотоэлементов.

От: LidiaZaiceva, &nbsp6014 просмотров

Фото датчика – Фотоэлектрические датчики. Фотодатчики. Устройство, типы и виды фотодатчиков.

назначение и устройство. Принцип работы фотоэлектрических датчиков

В сферах промышленности активно используются такие специализированные устройства как фотоэлектрические датчики, которые позволяют совершать наиболее точное обнаружение поступающего объекта без необходимости физического контакта. Они применяются при установке различного оборудования, а также бывают разных типов и отличаются принципом действия. Можно выбрать подходящее устройство по его свойствам, а также, учитывая ситуацию, в которой будет применяться подобный датчик.

Использование различных фотоэффектов

Во время своей работы фотоэлектрические датчики используют три возможных фотоэффекта, которые зависят от того, как изменяются свойства предмета при наличии изменений в уровне освещения.

    Эффекты бывают внешними, когда под воздействием получаемой световой энергии электроны вылетают из катода лампы.

Внутренние эффекты отличаются тем, что сопротивление полупроводника зависит от уровня освещенности.

Вентильный эффект появляется, когда возникает движущая сила, которая зависит от освещения.

Виды устройств

Можно встретить фотоэлектрические датчики аналогового или дискретного вида.

    У аналоговых выходной сигнал может меняться пропорционально имеющемуся уровню освещения. Обычно такие устройства применяют при создании элементов освещения, управляемых автоматически.

Дискретные устройства изменяют значение на диаметрально противоположный показатель при достижении определенного уровня освещенности. Они могут выполнять всевозможные задачи на действующей технологической линии и широко используются в промышленности.

Оптический бесконтактный прибор регулирует изменение поступающего светового потока в рабочей области и может срабатывать на большом расстоянии, реагируя на изменение объектов, их отсутствие или присутствие. Конструкция этого прибора имеет две части, которые отвечают за правильное функционирование — это приемник и излучатель. Они могут находиться как в одном подходящем корпусе, так и в разных.

В зависимости от используемого метода работы, фотоэлектрические датчики принято делить на четыре группы:

    Работающие по принципу пересечения луча. В этом случае излучатель и работающий с ним в паре приемник имеют два отдельных корпуса, поскольку этого требует технология работы. Два прибора устанавливаются друг напротив друга, а при взаимодействии излучатель посылает луч, который воспринимается приемником. Если какой-либо объект пересекает этот луч, то прибор тут же посылает соответствующий сигнал.

Датчики с принципом отражения от рефлектора. Подобные приборы характеризуются тем, что у них излучатель и приемник располагаются в одном корпусе. Помимо этого агрегата, также используется специальный рефлектор, который устанавливается напротив прибора. Во время работы устройство посылает луч, он отражается от рефлектора и воспринимается приемником. Специальный поляризационный фильтр позволяет настроить работу оборудования так, чтобы устройство воспринимало только отражение от рефлектора и ничего лишнего. Рефлекторы бывают разными, поэтому их выбирают, исходя из имеющейся ситуации — дальности расстояния и особенностей монтажа. Если во время работы луч перестает отражаться и поступать к приемнику, значит, на линии появился какой-то объект, и сигнал об этом устройство передает дальше.

Приборы с отражением света от объекта. У этих агрегатов приемник и сопутствующий ему излучатель также располагается в одном корпусе. В этом случае работа строится так, что рефлектор не нужен, поскольку его роль выполняют различные объекты — луч отражается от них, попадает в приемник, и датчик посылает нужный сигнал.

Датчики с фиксированным отражением. По сути, это усовершенствованный вариант предыдущего варианта оборудования. Приборы работают по такому же принципу, но они более чутко улавливают и определяют состояние объекта. Например, при помощи подобных датчиков можно обнаружить вздувшуюся упаковку на линии или пакет, наполненный не до конца.

Также датчики могут делиться не только по принципу работы, но и по своему назначению. Существуют приборы общего назначения и специализированные. Вторые предназначены для выполнения более узких задач и решения конкретных вопросов. Например, они могут распознавать наличие этикетки, контрастной границы и других подобных элементов. Все датчики выполняют задачу обнаружения каких-либо объектов на расстоянии, и в зависимости от особенностей элемента, это расстояние может значительно варьироваться.

Обычно производители сопровождают свои устройства специальными техническими паспортами, в которых с точностью прописываются все необходимые характеристики, помогающие правильно выбрать датчик. Это весьма удобно, поскольку покупателю не нужно производить какие-то точные расчеты, чтобы подобрать подходящий прибор, а достаточно только соотнести его параметры с особенностями места установки и конкретной ситуацией, в которой будет применяться устройство.

    Практическая способность обнаружения является главной характеристикой для таких элементов, поскольку это означает, в каких условиях датчик сможет выполнять свою работу, также на этот показатель влияет заполнение угла зрения, оно может быть полным или неполным.

Дальность действия – еще один важный параметр, он означает, на каком расстоянии прибор сможет действовать. Поскольку у всех датчиков оно может быть разным, встречаются варианты, которые работают на расстоянии нескольких сантиметров или устройства, рассчитанные на дальность в метрах.

Ширина луча визирования также играет важную роль, поскольку от нее напрямую зависит разрешение датчика и то, с какими объектами он может работать.

Время реакции также имеет значение при работе, здесь учитывается, с какой скоростью датчик будет обрабатывать объекты, а также его время включения и выключения. Необходимо, чтобы устройство успевало охватить все поступающие предметы, успевая за их движением по линии.

Напряжение питания учитывается при выборе, поскольку внедрение датчиков в систему не должно оказывать серьезного влияния на ее работоспособность, если устройства слишком мощные, то следует заменить их вариантами, которые потребляют меньше энергии, чтобы они могли эффективно работать и выполнять свои функции, не нарушая общую деятельность линии производства.

Также при выборе стоит учесть углы наведения датчика, особенности его присоединения и монтажа, габариты и вес, уровень защищенности — все это тоже имеет значение при работе устройства.

Выбирая фотодатчик, лучше обратить внимание на известных производителей, которые уже заслужили определенную репутацию на рынке. Нужно, чтобы устройство было максимально безопасным и обладало простым в управлении интерфейсом — это позволит сделать работу с ним комфортной и удобной. Также корпус датчика должен быть хорошо защищен от попадания пыли и влаги — это продлит срок его службы. Присоединительное место у него должно быть стандартным, чтобы не возникло проблем с монтажом.

Фото-датчик — Традиция

Рис.1. Схема образования и переноса заряда в ПЗС-сенсоре

Рис.2. Фото-датчик (Фотосенсор), содержащий основной элемент фотоматрицу ПЗС с активной частью работающих фотодиодов — пикселей в зоне прямоугольника слабо-красного цвета и фотодиодов по периметру вне рамки — не работающих. Корпус датчика имеет выход монтажных проводов с фотоэлектрической матрицей, отверстия для монтажа и крепления датчика в фотокамерах. Рис.3. Свет возбуждает электронно-дырочные пары в Пн-переходе.

Фото-да́тчик или Фотодатчик, или Фотосе́нсор — это светочувствительное квантовое устройство (Датчик или сенсор (от англ. sensor или чвствительный), состоящее из главного элемента Фотоэлектрической матрицы, корпуса с монтажными проводами (см. рис.1), местами крепления и подсоединения; предназначен для преобразования спроецированного на матрицу оптического изображения в электрический сигнал и его сканирования. [1] [2]

  • Датчик — это термин систем управления, первичный преобразователь, элемент измерительного, сигнального, регулирующего или управляющего устройства системы, преобразующий контролируемую величину в удобный для использования сигнал или электрический импульс. [3]
  • Фото-датчик — это светочувствительное квантовое устройство, состоящее из главного элемента Фотоэлектрической матрицы, предназначенной для преобразования спроецированного на матрицу оптического изображения в электрический сигнал и его сканирования.
  • Фото-электрический датчик — это устройство для обнаружения расстояния, отсутствие или присутствие объекта с помощью системы световой передачи и фотоэлектрическим приемником (фото-электрическим датчиком), например, детектором (см. рис.1).

Общие сведения[править]

Фото-датчики, (Фотосенсоры) классифицируются в зависимости от фотоматриц.

Главные элементы фотоматриц (см. рис.3) — Фотодиоды пиксели — приемники видимых лучей оптического изображения. Когда фотон поглощается пикселем, он генерирует электронно-дырочные пары. Когда электрон попадает в электрическое поле между слоями, то будут сметены положительно заряженные н-слои, где могут быть выведены во внешнюю цепь (провода). Фотопоток пропорционален яркости, с которой диод горит. Таким образом он определяет и передает информацию, что представляет собой оптическое изображение. Он делает это путем преобразования переменной затухание световых волн (как они проходят или отражаются от предметов) в сигналы, в небольшие всплески тока, которые передают информацию. Волнами могут быть свет или другое электромагнитное излучение. Датчики изображения используются в электронных устройствах обработки изображений, как аналогового, так и цифрового типов, включая цифровые камеры, модульные камеры, медицинскую визуализацию при работе оборудования, оборудовании ночного видения, например, в тепловизионных приборах, радарах, сонари и других. Цифровая обработка изображений, как правило, служит для замены аналоговых изображений, получаемых, например, при работе с фотоплёнками, фотопластинками и т.п.

Фотосенсоры различаются[править]

В зависимости от слойности расположения фотодиодов в фотоматрицах:

В зависимости от наличия светофильтров, накрывающих фотодиоды в фотоматрицах:

  • В фотосенсорах Foveon X3-сенсор отсутствуют светофильтры в фотоматрице, где фотодиоды (пиксели) расположены в трёх слоях столбцами по три по типу фотоплёнок.
  • В трёхсойных фотосенсорах 3CCD-сенсор — трёхматричный фотосенсор на базе дихроической призмы, где однослойные одноцветные RGB фотоматрицы.

В настоящее время в основном в цифовой фотографии эксплуатируются:

  • Фотосенсор ПЗС (CCD) [4] — с электронной схемой последовательного считывания сигналов предметных точек оптического изображения, спроецированного на фотодатчик.
  • Фотосенсор КМОП‎ (CMOS) [5] [6] — с электронной схемой оцифровки сигналов предметных точек оптического изображения, спроецированного на фотодатчик — на Датчик изображения (датчик-сенсор от англ. sensor, откуда фотосенсор).
  • Фотосенсор Foveon X3-сенсор [7] — с электронной схемой обработки сигналов предметных точек оптического изображения, спроецированного на фотодатчик в режимах ПЗС или КМОП‎ . Он отличается от ПЗС и КМОП‎ отсутствием фильтров Байера (RGB) и строением фотодиода. Фотодиод представляет собой трехуровневый полупроводник , воспринимающиий цветовой сигнал изображения предметной точки RGB в режиме работы цветной фотопленки одним пикселем последовательно — синий, зеленый, красный. Принцип работы фотосенсора Foveon X3-сенсор в аналоговом режиме [8] обеспечивает получение оцифрованного изображения близкого к оригиналу. [9] [10] .
  • 3CCD-сенсор — трёхматричный фотосенсор на базе дихроической призмы [11] [12] .

Используются в осноаном в современных видео- и телевизионных камерах.

Фотоэлектрический датчик или (на английском-фотосенсор) (как единственный термин) в мировых СМИ используется во всех областях деятельности в том числе и цифровой фотографии в качестве применения светочувствительных материалов (фотоматериалов). Матрица (фото) — основной элемент Фотоэлектрического датчика, представляющий матрицу (полупродниковый материал из кремния), состоящий из фотодиодов, накрытых микролинзами и т.д., которая встраивается как основной элемент в фотодачик. Она представляет пластину прямоугольной формы с фотодиодами (чаще квадратной формы) с размерами сторон порядка 9 мкм. При этом по периметру матрицы расположены не работающие фотодиоды, в центре — работающие фотодиоды или пиксели.

Рассмотрение материалов по отдельности (матриц и фотодатчикив) даёт возможность разгрузить объем основных статей и более подробно их освещать.

История создания фотоматриц фотосенсоров[править]

С этого времени началось развитие фотодатчиков разного типа на основе ПЗС фотодатчика.

В 1993 году лаборатория NASA реализовала твердотельный датчик изображения на основе КМОП Active-Pixel (Основы КМОП устройства были запатентованы еще в 1960 году и явились основой в применении и содании современных видеокамер). В 1976 году ученым доктором Брайсом Байером, сотрудником концерна Eastman Kodak, была изобретена одноименная схема,которая сейчас называется Фильтром Байера.

В Байеровской схеме каждый пиксель матрицы накрыт светофильтром одного из цветов RGB составляющих. Данная схема мозаичного светофильтра имеет обозначение например, RGGB (red–green–green—blue, красный–зелёный–зелёный — синий).

В развитии Eastman Kodak с !987 года положила начало массового поизводства фотосенсоров на базе схемы КМОП. В 1997 году Карвером Мидом Carver Mead) создано совместное предприятие National Semiconductor и Synaptics, в последствии компании Foveon. В основе ее деятельности были технологии полупроводниковых микросхем на базе архитектуры VLSI (или СБИС, или условно — схемы сверхбольшой интеграции). Откуда и появилась новая технология фотодатчика под названием Foveon X3-сенсор. [13] [14] 1934 год можно считать условно годом открытия трехматричных фотодатчиков 3CCD-сенсор для видеокамер. Прототипом послужила разработка в 1934 году российским ученым Л.А. Кубецким фотоэлектронных умножители (ФЭУ) или (PMT) — photomultiplier tube) для сканеров. Считывающие элементы сканера — фотоприемники явились прототипом работы современных трехматричных фотодатчиков, при котором луч света сканируeтся в виде трех составляющих RGB c применением АЦП с образованием файла. [15] 1992 год является годом, когда система трех ПЗС-матриц (3CCD) используется в большинстве современных профессиональных видео и телекамер. Это относится и к профессиональным видеокамерам Panasonic. В 1992 годау они были выбраны официальным телевещательним оборудованием для трансляции Олимпийских игр по всему миру. [16]

Цветные фотодатчики[править]

Фотосенсоры по способу цветопередачи изображений различаются:

  • Фотосенсор — Фильтр Байера, который формирует цветное изображение при помощи ячеек, например, из трех пикселей RGB в каждой, создающих мозаику полупроводниковой кремниевой фотоматрицы, которые расположенны в одной плоскости, и при помощи АЦП‎.
  • Фотосенсор Foveon X3 применяет трёхслойные фотодиоды или пиксели, чувчтвительные к составляющим лучам RGB света.
  • Фотосенсор 3CCD-сенсор использует три фотодатчика ПЗС(CCD) [17] , встроенных на дихроической призме, диспергирующей лучи света предметных точек изображения на красный, зеленый, синий с последующей оцифровкой преобразователем АЦП. Он характеризуется применением трёх монохромных фотодатчиков RGB без применения светофильтров и передачей аналогового цветного изображения лучшего качества и применяется в основном в видеокамерах. [18]

Специальные фотодатчики[править]

Специальные фотосенсоры применяются:

  • Фотодатчики для отображеия нагретых объектов;
  • Фотодатчики для содания многоспектральных изображений;
  • Фотодатчики для гамма камер;
  • Фотодатчики чувствительные к рентгеновским излучениям;
  • Специальные высокочувствительные Фотодатчики для космических наблюдений; [19]

Виды Фотодатчиков[править]

Физические размеры кадра фотокамер[править]

Размер фотодатчика (матрицы (фото) измеряется по диагонали, в долях дюйма (4/3″, 2/3″, 1/1,8″, 1/2,2″) для кадра 4:3. В кадре 3:2 реальная диагональ равна примерно 2/3 в отличие от указанной для кадра 4:3.

Стандарт кадра 4:3 применяется в любительских цифровых фотоаппаратах, стандарт кадра 3:2 применяется в зеркальных цифровых фотоаппаратах. (Некоторые зеркальные фотокамеры настраиваются на размер 4:3)

Благодаря небольшим линейным размерам фотодатчика (матрицы) объективы таких камер меньше и легче. [26] [27]

Размеры фотосенсоров с их матрицами цифровых фотокамер и 35-мм плёнки

В настоящее время типоразмеры фотосенсоров и их матрицы по своей светочувствительности примерно сравнялись. Однако большие фотосенсоры (и их матрицы) зеркальных фотокамер обладают более высокой ISO, разрешаюшей способностью и фотографической широтой.

  • 1/2,5″ или 1/2,7″ , т.е. 5,27×3,96 мм (соотношение сторон 4:3) используются в большинстве камер с не сменной оптикой.
  • 1/1,8″, соотношение сторон 4:3

Фотосенсоры с их матрицыами размера 1/1,8″, то есть 5,32×7,18 мм используются в большинстве компактных камер с несменной оптикой.

Фотодатчики (их матрицы) размера 2/3″, то есть 6,6×8,8 мм иногда используются в дорогих компактных камерах с несменной оптикой.

Фотосенсоры (и их матрицы) размера 4/3″, то есть 13,5×18 мм

Стандарт 4/3 разработан компаниями Olympus, Кодак и несколькими другими. Преследовались цели снижения стоимости производства, веса камер и объективов. Сейчас (2007) камеры с Фотодатчиками (матрицами) такого формата производят фирмы Олимпус и Панасоник.

  • Фотосенсоры DX (матрицы), APS-C формата 22.3 x 14.9 мм (CMOS sensor Canon)

имеет соотношение сторон 3:2, но кадр можно настроить с соотношением сторон 4:3.

Фотосенсоры (и их матрицы) таких размеров наиболее часто встречаются в цифровых зеркальных фотоаппаратах. Они соответствуют «полукадру» 35 мм кадра.

Подавляющее большинство любительских, полупрофессиональных и даже профессиональных камер используют фотодатчики с матрицами такого размера в силу того, что они относительно дёшевы в производстве и при этом размер пиксела остаётся довольно большим даже при разрешении более 12 мегапикселей..

  • APS-H формат, 27×18 мм, соотношение сторон 3:2
  • Полнокадровый Фотосенсор с матрицей формата 36×24 мм с соотношением сторон 3:2 или полнокадровый Фотосенсор (36×24 мм) соответствует классическому 35 мм кадру (3:2). На рынке представлено уже много моделей фотоаппаратов с фотосенсором с матрицей такого размера (фирмами: Canon, Nikon, Kodak, Sigma, Sony). Такие Фотосенсоры дороги и сложны в производстве.
  • Среднеформатный Фотосенсор с матрицей 60×45 мм имеет соотношение сторон 3:2.

Фотосенсоры с мптрицами таких размеров «сшиваются» из матриц меньшего размера, что сказывается на их стоимости. Применяются в дорогих камерах.

Законы геометрической оптики определяют зависимость ГРИП от физического размера матрицы. Тесты после съёмок тремя фотоаппаратами с разным физическим размерами фотосенсоров с одинаковым количеством пикселей одного и того же объекта под одним и тем же углом зрения, одним и тем же значением диафрагмы настроенных объективов и обработанных с оной технологией показали: ГРИП на снимке, сделанном фотоаппаратом с наибольшей матрицей, будет наибольшей (больше предметов в кадре будет показано резко), а фотоаппарат с наименьшей матрицей покажет наименьшую ГРИП (предметы не в зоне резкости будут сильнее размыты).

Стабилизация изображения[править]

В некоторых фотоаппаратах, например Pentax K10D, K100D, Sony A100, A200, A700, проблему съёмки с рук при недостаточном освещении инженеры решили при помощи смещения фотосенсора в соответствии с показаниями встроенного гироскопов или акселерометров. Таким образом, стабилизация изображения в фотоаппаратах работает со всеми объективами, независимо от встроенной стабилизации изображения у них. [28] [29]

  • File:Webcam CCD.jpg, [1] (Cм. Фотодатчик)

Электротехника: Фотодатчик своими руками.

Инфракрасные фотодиоды используемые в телевизорах (или каких либо других управляемых приборах) для приёма сигнала могут быть применены для множества других целей. Повысив чувствительность фотодиода усилителем можно определять степень освещённости солнцем (или каким либо другим источником света в спектре которого присутствует инфракрасный свет). Для повышения чувствительности фотодиода можно применить простую схему доступную для сборки начинающему радиолюбителю. Рассмотрим эту схему:

Рисунок 1 — Фотодатчик

Транзистор VT1 усиливает ток фотодиода VD1, транзистор VT2 усиливает ток транзистора VT1.

Всё просто! Фотодиод можно достать из фотоприемника из телевизора. Фотоприемник может выглядеть так:

Остальные детали несложно достать, транзисторы КТ315 широко использовались (и используются) в разной аппаратуре. Рассмотрим детали:

Катод у фотодиода располагается справа (если фотодиод лежит как на фотографии выше), на схеме (рисунок 1) катод соединён с коллекторами транзисторов VT1 и VT2 и соединён с резистором R1. Электродвигатель пригодиться для экспериментов с фотодатчиком. Для упрощения сборки на выводы транзисторов можно нацепить куски изолятора от проводов с разными цветами, например:

без изолятора — эмиттер.

Далее рассмотрим сборку:

Чёрными линиями показано как соединять выводы. Моторчик служит для визуального определения работоспособности схемы (вместо него можно поставить другой подходящий прибор например миллиамперметр (это даже лучше)).

Рассмотрим собранный фотодатчик:

Такой датчик можно использовать для построения beam роботов, программируемых роботов, игрушек и много чего ещё. Рассмотрим схему с электродвигателем и батарейками:

Рисунок 2 — Схема с электродвигателем и батарейками

Электродвигатель для транзистора представляет активно-индуктивную нагрузку так как обмотки двигателя имеют индуктивность поэтому для защиты транзистора VT2 желательно поставить параллельно ему обратный диод и/или конденсатор параллельно двигателю, но схема работает и без этого.

Схема приведенная ниже иллюстрирует как данный фотодатчик можно использовать для включения освещения в темноте и включения электродвигателя при свете от солнца или какого либо другого источника инфракрасного излучения (пульт д. у., свеча, лампа и т. д. (тепло человеческого тела и другие подобно холодные предметы не подходят из за малой длинны волны)):

Рисунок 3 — Схема включения светодиода в темноте и включения электродвигателя при свете

Данный фотодатчик можно использовать в системах дистанционного управления с нестандартными протоколами передачи данных или для управления электромагнитными реле коммутирующими мощную нагрузку и много для чего ещё.

Ошибка #404, Файл не найден

Каталог Autonics
Ваш заказ (корзина)Доставка и оплатаКонтактыФОРУМ

29.03.2020 — SRHL1 Серия Однофазные твердотельные реле (встроенный радиатор, исполнение с левой/правой клеммной колодкой)

Однофазные твердотельные реле серии SRHL1 оснащаются встроенным радиатором, обеспечивающим эффективный отвод тепла. Благодаря различным исполнениям клеммной колодки (слева/справа) обеспечивается гибкость монтажа. Изделия этой серии можно монтировать на DIN-рейку или на панель.

29.02.2020 — BWC Серия Барьеры фотоэлектрические с перекрёстным излучением

Принцип работы барьерных датчиков с перекрестным излучением серии BWC основан на 3-точечном методе обнаружения, который позволяет минимизировать неконтролируемую область и обеспечивает надежное обнаружение объектов. Датчики доступны в 7 различных конфигурациях в зависимости от количества оптических осей, шага между оптическими осями и размера области обнаружения. Датчики обладают высокой надежностью обнаружения даже в средах с интенсивным окружающим освещением (до 100000лк). Устройства данной серии также обладают удобными функциями, в том числе функциями режима установки, защиты от взаимных помех и самодиагностики.

29.02.2020 — BW Серия Барьеры фотоэлектрические общего назначения

Барьерные датчики общего назначения серии BW обладают большим расстоянием срабатывания (до 7 метров) и доступны в 22 различных конфигурациях в зависимости от шага между осями и размера области обнаружения. Предельная величина освещенности датчиков составляет 100000лк, поэтому датчики могут работать без ошибок даже в условиях прямого воздействия солнечного излучения. С помощью ярких светодиодных индикаторов, предусмотренных в излучателе и в приемнике, обеспечивается удобное представление информации о состоянии датчика. Функция «ведущий/ведомый», предназначенная для подавления взаимных помех, позволяет устанавливать несколько устройств в ряд.

09.07.2009 — Верительная грамота Аутоникса

Компания Autonics в лице Главы Представительства в России, мистера Ли ТэХо, рада сообщить, что между ООО «Матрикс Групп» и Autonics достигнута договоренность о партнерстве. Теперь уважаемый потребитель имеет возможность приобретать широкий спектр высококачественной, надежной и недорогой продукции от корейского производителя у нового партнера в России.

Autonics желает компании ООО «Матрикс Групп» успехов и процветания.

Глава Российского Представительства Ли ТэХо

Ошибка #404, Файл не найден

Фотодатчик для уличного освещения. Как выбрать и применить. Как устроен фотодатчик и для чего он нужен.

Фотодатчик — неотъемлемый элемент фотореле, освободит вас от обязанности включать и выключать освещение. Он будет разумно им управлять в то время, как вы займетесь другими важными делами. Как выбрать и применить фотодатчик, пойдет речь в этой статье.

Виды фотодатчиков. Принцип работы

Визуально фотодатчик напоминает светодиод: как у одного, так и у другого имеется прозрачный корпус , а если не прозрачный, то в нем предусмотрено окошко, у обоих в наличии коллектор, эмиттер. Настраивают датчик на ультрафиолетовые или инфракрасные волны, а если совсем точно, то на одну длину волны из этих спектров. Схема для управления освещением с включением фотодатчика, называется фотореле.

При устройстве уличного освещения, фотодатчик используют в 2-х вариантах:

  • встроенный. Это обозначает, что все устройство, задача, которого управлять освещением, монтируется за пределами дома, т.е. на улице;
  • выносной. Фотодатчик размещают вне дома, а на щитке в доме находится электронный блок.

Работают фотодатчики освещения по следующему принципу: с наступлением сумерек, фототранзисторное сопротивление растет и освещение включается. С восходом солнца процесс повторяется, но уже в обратном порядке.

Способы подключения фотодатчиков

Способов установки всего 2:

  • если фонари в вашем дворе имеют личное питание, то фотодатчик придется устанавливать на каждом. Синхронность включения освещения при этом будет зависеть от расположения ламп. Если одна лампа под деревом, а другая на открытом участке, то одновременно они не включатся;
  • в случае, когда для всех ламп есть один источник питания, достаточно установить фотодатчик на одном из светильников. Как только подходит время, он срабатывает и все остальные осветительные приборы, работающие от общего источника, включаются.

Выбираем фотодатчик

Рынок предлагает большой выбор элементов освещения, но, чтобы купить фотодатчик, цена которого вас устроит, а эффективность его при этом не пострадает, необходимо хоть кое-что о них знать.

Требования к выносным фотодатчикам

Выносной фотодатчик применяется в реле, которые не могут быть установлены на улице, поэтому фотодатчик эксплуатируется на улице отдельно. Естественно, в таких условиях к нему предъявляется ряд требований:

  • наличие крепкого, герметичного корпуса обязательно;
  • степень защищенности корпуса — высокий. На работу фотодатчика не должны влиять погодные условия;
  • потенциометр и защита от ложных срабатываний — обязательные элементы выносного фотодатчика.

Пример выносного фотодатчика в реле AWZ-30-10/38 от белорусской компании Евроавтоматика F&F:

  • питается от розетки 220 В;
  • время от включения до выполнения команды от 5 до 15 секунд;
  • выключается с задержкой секунд 20-30;
  • потребляет 0,85 Вт;
  • обладает степенью защиты IP20;
  • работает в диапазоне температур от -25 до +50 градусов С;
  • рассчитан на без проблемную работу на протяжении 100000 циклов;
  • установить фотодатчик необходимо так, чтобы на него не светил напрямую включаемый светильник.

Фотодатчик ФД — 3 — 2

Фотодатчик используется, как выносной в фотореле ФР-М01-1-15 от российской электротехнической компании «МЕАНДР». Данное фотореле отличается:

  • наличием 2-х поддиапазонов регулирования уровня освещенности. Для выбора диапазона, между клеммами «Y1» и «Т2» устанавливается перемычка. 1-й подуровень — это освещенность 0,5-30, а второй от 3 до 300 люкс;
  • закрепляется он на щитке или на ровной поверхности. Причем для второго варианта крепления предусмотрен кронштейн ФД. Цифра 2 в обозначении определяет длину провода. Она равна 2 м.

Простой фотодатчик в фотореле LXP-03

На собственном участке для контроля уровня освещенности вполне достаточно простого фотодатчика. Пример работы фотодатчика в схеме управления освещением через фотореле LXP-03:

  • включается при максимальной освещенности 15 люкс;
  • имеет высокую степень защиты — IP44;
  • выпускается данный детектор освещенности компанией Feron, которая находится в Китае.

Изготавливаем фотодатчик для уличного освещения сами

Человек более-менее разбирающийся в радиоэлектронике, может изготовить фотодатчик своими руками. Рассмотрим самую простую схему:

Деталей здесь немного:

  • использован операционный усилитель ОУ типа К140УД6 или другой подобный, как сравнивающее устройство;
  • фотодиод LED1;
  • резисторы.

Схема работает следующим образом:

  • когда уровень освещенности падает, растет сопротивление на светодиоде LED1;
  • на резисторе R1 падение напряжения, наоборот, уменьшается, следовательно наблюдается снижение падения напряжения со стороны инвертирующего входа операционного усилителя OP1;
  • резистор R2 — пороговый. Он задает уровень напряжения на входе неинвентирующем операционного устройства;
  • реле К1 включается при напряжении на инвертирующем входе, величина которого меньше порогового, вызывающего высокие значения напряжения на выходе ОР1.

Выгодный тандем: фотодатчик + датчик движения

Решив фотодатчик купить и установить, вы избавитесь от обязанности включать и выключать освещение своего сада и двора, но появятся некоторые проблемы:

  • во-первых, светильники будут потреблять электроэнергию всю ночь! А всегда ли это нужно? С точки зрения финансов — очень накладно;
  • во-вторых, даже включив в цепь таймер и настроив его так, что освещение будет отключаться, например после полуночи, вы решите проблему экономии только на половину.

Как же поступить? Чтобы и удобно, и не очень дорого? Самый умный выход — добавить к фотодатчику датчик движения. Теперь ночью ваша территория погрузиться во тьму, но как только вы вздумаете прогуляться по саду или вдруг вернетесь домой поздно, перед вами, как в сказке, загорятся огни, а уйдете — погаснут. Датчики движения различают:

  • активные. К ним относятся ультразвуковые и микроволновые датчики. Они обнаруживают объекты, находящиеся в движении при помощи импульсов: ультразвуковых и радиоволн соответственно;
  • пассивные. В основе работы лежит инфракрасное излучение идущее от тела человека или животного. Никакого самостоятельного излучения от них не исходит, поэтому то их и назвали пассивными. Чтобы освещение в зоне не включалось при каждом появлении кошки или других мелких животных, датчик настраивается на размер.

Посмотрите немного полезной информации о том, как установить фотореле и как оно работает:

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

Фотодатчик. Часть 1 | Электроника для всех

Наверняка многим захочется присобачить к AVR фотодетектор, чтобы отслеживать хотя бы наличие или отсутствие света. Это полезно как для роботостроителей, так и для тех кто делает всякую автоматику. Итак, кратко опишу какие бывают фотодетекторы.

Фоторезистор
ИМХО вымирающий вид. Последний раз я его видел еще в детстве. Обычно представляет собой такой металический кругляк со стеклянным окошком, в котором видна этакая сероватая зигзагообразная дорожка. При освещении его сопротивление падает, правда незначительно, раза в три четыре.

Фототранзистор
Последнее время я на них натыкаюсь постоянно, неиссякаемый источник фототранзисторов — пятидюймовые дисководы. Последний раз я, по цене грязи, надыбал на радио барахолке штук 5 платок от дисковертов, там светотранзисторы стоят напротив дырок контроля записи и вращения дискеты. Еще сдвоенный фототранзистор (а может и фотодиод, как повезет) стоит в обычной шариковой мышке.
Выглядит как обычный светодиод, только корпус прозрачный. Впрочем, светодиоды тоже такие же бывают так что перепутать кто из них кто раз плюнуть. Но это не беда, партизан легко вычисляется обычным мультиметром. Достаточно включить омметр между его эмитером и коллектором (базы у него нет) и посветить на него, как его сопротивление рухнет просто катастрофически — с десятков килоом до считанных ом. Тот который у меня в детекторе вращения шестерен в роботе меняет свое сопротивление с 100кОм до 30 Ом. Работает фототранзистор подобно обычному — держит ток, но в качестве управляющего воздействия тут не ток базы, а световой поток.

Фотодиод
Внешне ничем не отличается от фототранзистора или обычного светодиода в прозрачном корпусе. Также порой встречаются древние фотодиоды в металлических корпусах. Обычно это совковые девайсы, марки ФД-чето там. Такой металлический цилиндрик с окошком в торце и торчащими из задницы проводками.

В отличии от фототранзистора, может работать в двух разных режимах. В фотогальваническом и фотодиодном.
В первом, фотогальваническом, варианте фотодиод ведет себя как солнечная батарейка, то есть посветил на него — на выводах возникло слабенькое напряжение. Его можно усилить и применить =). Но куда проще работать в фотодиодном режиме. Тут мы подаем на фотодиод обратное напряжение. Поскольку он хоть и фото, но диод, то в обратную сторону напряжение не пойдет, а значит его сопротивление будет близко к обрыву, а вот если его засветить, то диод начнет очень сильно подтравливать и сопротивление его будет резко падать. Причем резко, на пару порядков, как у фототранзистора.

Спектр
Кроме типа прибора у него еще есть рабочий спектр. Например, фотодетектор заточенный на инфракрасный спектр (а их большинство) практически не реагирует на свет зеленого или синего светодиода. Плохо реагирует на лампу дневного света, но хорошо реагирует на лампу накаливания и красный светодиод, а уж про инфракрасный и говорить нечего. Так что не удивляйся если у тебя фотодатчик плохо реагирует на свет, возможно ты со спектром ошибся.

Подключение
Теперь пора показать как это подключить к микроконтроллеру. С фоторезистором все понятно, тут заморочек нет никаких — берешь и подцепляешь как по схеме.
С фотодиодом и фототранзистором сложней. Надо определить где у него анод/катод или эмитер/коллектор. Делается это просто. Берешь мультиметр, ставишь его в режим прозвонки диодов и цепляешься на свой датчик. Мультиметр в этом режиме показывает падение напряжения на диоде/транзисторе, а падение напряжения тут в основном зависит от его сопротивления U=I*R. Берешь и засвечиваешь датчик, следя за показаниями. Если число резко уменьшилось, значит ты угадал и красный провод у тебя на катоде/коллекторе, а черный на аноде/эмитторе. Если не изменилось, поменяй выводы местами. Если не помогло, то либо детектор дохлый, либо ты пытаешься добиться реакции от светодиода (кстати, светодиоды тоже могут служить детекторами света, но там не все так просто. Впрочем, когда будет время я покажу вам это технологическое извращение).

Теперь о работе схемы, тут все элементарно. В затемненном состоянии фотодиод не пропускает ток в обратном направлении, фототранзистор тоже закрыт, а у фоторезистора сопротивление весьма высоко. Сопротивление входа близко к бесконечности, а значит на входе будет полное напряжение питания aka логическая единица. Стоит теперь засветить диод/транзистор/резистор как сопротивление резко падает, а вывод оказывается посажен наглухо на землю, ну или весьма близко к земле. Во всяком случае сопротивление будет куда ниже 10кОмного резистора, а значит напряжение резко пропадет и будет где то на уровне логического нуля. В AVR и PIC можно даже резистор не ставить, вполне хватит внутренней подтяжки. Так что DDRx=0 PORTx=1 и будет вам счастье. Ну а обратывать это как обычную кнопку. Единственная сложность может возникнуть с фоторезистором — у него не настолько резко падает сопротивление, поэтому до нуля может и не дотянуть. Но тут можно поиграть величиной подтягивающего резистора и сделать так, чтобы изменения сопротивления хватало на переход через логический уровень.

Если надо именно измерять освещенность, а не тупо ловить светло/темно, то тогда надо будет подцеплять все на АЦП и подтягивающий резистор делать переменным, для подстройки параметров.

Есть еще продвинутый тип фотодатчиков — TSOP там встроенный детектор частоты и усилитель, но о нем я напишу чуть попозже.

Фотодатчик. Часть 2. Модуляция

З.Ы.
У меня тут некоторые запарки, поэтому сайт будет сильно тупить с обновлением, думаю это до конца месяца. Дальше надеюсь вернуться в прежний ритм.

3. Применение фотоэлектрических датчиков

Фотоэлектрические
датчики получили очень широкое
распространение в системах автоматики
и имеют хорошую перспективу дальнейшего
распространения. Наиболее часто они
используются в схемах релейного действия,
где выдают дискретный сигнал: «Освещено»
или «Затемнено».

Фотореле
состоит
из осветителя, создающего световой
поток, и приемника излучения (фотоэлемента,
фоторезистора, фотодиода или
фототранзистора). Приемник излучения
включен в цепь обмотки электромеханического
реле (непосредственно или чаще через
усилитель). При попадании светового
потока на приемник скачком изменяется
фототок и срабатывает реле, осуществляя
необходимые переключения в схеме
управления каким-либо устройством.
Такие фотореле используются в турникетах,
пропускающих пассажиров в метро,
фиксируют достижение различными
механизмами определенных положений,
очень широко применяются в автоматических
устройствах защиты обслуживающего
персонала от производственных травм.
Когда рука рабочего случайно пересекает
световой барьер, ограждающий опасную
зону, подается предупреждающий сигнал
или механизм вообще останавливается.
С помощью фотодатчиков осуществляется
считывание дискретной информации с
перфоленты. Информация на такой ленте
записана с помощью отверстий, пробиваемых
в определенных местах. Наличие отверстия
означает цифру 1, а отсутствие отверстия
— цифру 0 в двоичном коде. Каждому разряду
в двоичной форме счисления соответствует
место расположения отверстий на
перфоленте. Перфолента прокручивается
между осветительной лампой и несколькими
фотодатчиками (рис. 5, а),
количество
которых соответствует числу считываемых
разрядов. Для таких целей могут
использоваться специальные полупроводниковые
приборы, объединяющие в одной конструкции
несколько фотодатчиков. Эти фотодатчики
располагаются в одну линию друг за
другом, например, так называемая линейка
фотодиодов.
Имеются
и фотодиодные матрицы, где фотодатчики
расположены, как клетки в таблице.

Рис.
5. Применение фотодиодов

Линейку
фотодиодов используют для измерения
размеров детали, перемещаемой на
конвейере. Деталь перекрывает световой
поток (рис. 5, б)
и
затемняет такое количество фотодиодов,
которое соответствует высоте детали.

Измерение
длины перемещаемой детали может
выполняться и по сигналу одного
фотодатчика (рис. 5, в).
Деталь,
пересекая передней кромкой световой
барьер, дает сигнал на подсчет числа
импульсов. Когда фотодатчик снова
освещается, подсчет импульсов
заканчивается. По зафиксированному
счетчиком количеству импульсов
определяется длина движущегося предмета.
Датчик импульсов кинематически связан
с приводом конвейера. Поэтому колебания
скорости движения детали не влияют на
точность измерения ее длины.

Рассмотрим
применение фотоэлектрических датчиков
для преобразования угла поворота в
цифровой код (рис. 6, а,
б).
Осветитель
направляет световой поток через
прозрачный диск, на который фотохимическим
способом нанесена кодовая шкала с
прозрачными и непрозрачными участками.
С другой стороны диска расположены
фотоприемники, количество которых равно
числу разрядов двоичного числа. На рис.
6 показан кодовый диск с шестью разрядами.

Рис. 6. Фотоэлектрический
датчик для преобразования угла поворота
в цифровой код

Самый
старший разряд расположен ближе всего
к центру диска. Прозрачный участок
означает двоичную цифру «1», непрозрачный
— двоичную цифру «0». Если во всех
разрядах стоит «0», то это двоичный код
числа 0. Если во всех разрядах стоит «1»,
то это двоичный код десятичного числа
63 (1111112
= 6310).
Свет, проходя через кодовый диск, попадает
на фотоприемники. Наличие выходного
сигнала с фотоприемника принимается
за «1», отсутствие — за «0». Такое
устройство называется аналого-цифровым
преобразователем или кодовым датчиком.

Рис.
7. Фотоэлектрический датчик крутящего
момента

Для
измерения крутящего момента применяются
фотоэлектрические торзиометры.
Перед
проволочными тензометрами они имеют
то преимущество, что не нуждаются в
токосъемном устройстве. Они обеспечивают
бесконтактный съем сигнала с вращающегося
вала. Принцип действия фотоэлектрического
торзиометра показан на рис. 7. На испытуемом
валу 1 укреплены два диска 2, имеющие
прорези (окна) в радиальном направлении.
Эти диски вращаются вместе с валом. Под
действием момента нагрузки вал
скручивается и диски смещаются друг
относительно друга на угол, пропорциональный
моменту и расстоянию между дисками. На
неподвижной части торзиометра расположены
источник света 3
(лампа
накаливания) и два фотоприемника 4.
Лампа
помещена посередине между дисками, а
фотоприемники расположены по обе стороны
дисков. При отсутствии крутящего момента
прорези правого и левого дисков находятся
на одной оси и световой поток одновременно
попадает на оба фотоприемника.
Следовательно, в этом случае фототоки
обоих приемников будут совпадать по
фазе. При увеличении крутящего момента
диски смещаются друг относительно друга
и освещение фотоприемников будет
происходить не одновременно, а со сдвигом
во времени. Поэтому фототоки приемников
4
окажутся
сдвинутыми по фазе. Количество прорезей
на каждомдиске
и расстояние между ними обычно выбирают
так, чтобы при максимальном крутящем
моменте фазовый сдвиг между фототоками
составлял 180°. Измерительная цепь прибора
осуществляет измерение фазового сдвига
между токами, или измерение времени
между импульсами фототоков.

В последнее время
в качестве источников света для
фотоэлектрических датчиков все чаще
применяются не лампы накаливания, а
светодиоды, имеющие большую надежность
и очень малое потребление электроэнергии
для питания.

Вообще
надо отметить, что сейчас очень быстро
развивается оптоэлектронная
техника,
которая обеспечивает как преобразование
энергии света в электроэнергию, так и
обратное преобразование. В качестве
датчиков положения, определения качества
поверхностей, для считывания графической
информации начинают применяться
отражательные оптроны.

Для высокоточных
измерений малых перемещений используют
фотоэлектрические датчики, у которых
между источником света и фотоприемником
помещаются диски или линейки из
прозрачного материала с нанесенными
на них непрозрачными штрихами. В настоящее
время известны линейки, имеющие до
тысячи штрихов на 1 мм длины. Поэтому
даже при малом перемещении линейки
возникает значительное изменение
сигнала фотоприемника. Еще более высокую
чувствительность можно получить с
использованием двух линеек, штрихи
одной из которых выполнены с небольшим
наклоном. При взаимном перемещении
таких линеек возникает так называемый
«муаровый» эффект. При незначительном
перемещении линеек появляются темные
«муаровые» полосы и световой поток,
падающий на фотоприемник, резко
изменяется.

Во всех рассмотренных
выше примерах сам фототок не влиял на
точность измерения или преобразования.
Фотоприемники работали не в аналоговом,
а в дискретном режиме. Такой режим
позволяет иметь более простые конструкции
и схемы приборов, так как не требуется
обеспечить высокую стабильность
светового потока и напряжения питания.

Однако фотоэлектрические
датчики используются и в аналоговом
режиме, когда именно по значению фототока
определяется измеряемая неэлектрическая
величина. При измерении высоких температур
(более 1000 °С) широкое распространение
получили пирометры, использующие
лучистую энергию тел, температура
которых измеряется. С помощью
фотоэлектрических датчиков построены
яркостные пирометры и цветовые пирометры.

Фотоэлектрический
яркостный
пирометр
основан
на использовании зависимости между
током I
фотоэлемента и температурой Т
источника
излучения, освещающего фотоэлемент.
Эта зависимость имеет вид
,
где коэффициента
зависит
от чувствительности фотоэлемента, а n
— от его спектральной характеристики.
Коэффициент п
достигает
10—12 и может быть увеличен подбором
соответствующих светофильтров. При
использовании в качестве фотоприемников
фоторезисторов их включают в мостовую
схему (рис. 8). На фоторезистор ФР1 падает
световой поток от контролируемого
объекта. На фоторезистор ФР2 падает
световой поток от лампочки накаливания.
При нарушении баланса моста напряжение
с его измерительной диагонали подается
на усилитель, который питает лампу
накаливания и изменяет ее накал таким
образом, чтобы уменьшить разбаланс
моста. Амперметр в цепи лампы накаливания
может быть проградуирован в единицах
температуры. Градуировка проводится
по показаниям образцового пирометра.

В
основу работы фотоэлектрических цветовых
пирометров
положено
следующее физическое явление, называемое
законом смещения. При нагреве тело
излучает световой поток, где присутствуют
разные цвета, т. е. имеются электромагнитные
колебания с разными длинами волн. Однако
каждой температуре соответствует
определенная длина волны, на которой
интенсивность излучения максимальна.

В цветовых пирометрах
определяется отношение интенсивно-стей
излучения данного тела в лучах двух
заранее выбранных длин волн. Это отношение
для каждой температуры будет различным,
оно однозначно определяет температуру
тела.

Рис.
8. Фотоэлектрический яркостный пирометр
— датчик высоких температур

На
рис. 9 показана схема фотоэлектрического
цветового пирометра. Излучение от
объекта измерения А
поступает
на фотоэлемент 1
через диск 2,
в
котором попеременно расположены красные
и синие светофильтры. Диск приводится
во вращение с постоянной скоростью
электродвигателем 3.
Таким
образом, на фотоэлемент попеременно
попадают то красные, то синие лучи.
Синхронно с вращением диска 2
усиленный
сигнал с фотоэлемента переключается
коммутатором 4,
выделяющим
два сигнала: соответствующий интенсивности
красных лучей и соответствующий
интенсивности синих лучей. Измеритель
отношения сигналов (например,
логометрического типа) проградуирован
в единицах температуры.

Рис. 9. Фотоэлектрический
цветовой пирометр

Представляет
интерес использование фотоэлектрического
датчика в измерителе влажности
(психрометре).
Влажность
можно определить по так называемой
«точке росы». Известно, что водяной пар,
имеющийся в газе, начинает конденсироваться
(осаждаться в виде росы) при определенной
температуре, зависящей от влажности.
Для определения начала осаждения росы
и служит фотодатчик. Луч осветителя
падает на маленькое зеркальце и отражается
на фотоприемник. Поверхность зеркальца
может охлаждаться и нагреваться системой
терморегулирования, включаемой по
сигналу фотодатчика. Если температура
зеркала понижается до точки росы, то
появляющийся на поверхности зеркала
туман уменьшает световой поток, падающий
на фотоприемник, и фототок резко
уменьшается. Срабатывает реле, включающее
нагреватель зеркала. Спустя некоторое
время температура зеркала повысится,
туман на нем исчезнет, фототок резко
возрастет и сработает реле, включающее
охладитель зеркала. Таким образом,
температура зеркальца будет непрерывно
колебаться относительно точки росы.
Измеряя ее с помощью терморезистора
или термопары, можно определить влажность.

Фотоэлектрические
датчики применяют для измерения различных
неэлектрических величин. В машиностроении
применяются фотоэлектрические датчики
размеров деталей. С помощью оптических
систем можно спроецировать контур
маленькой детали на весьма большую
площадь, что существенно повышает
чувствительность и точность измерения.
В механических контактных датчиках для
этого потребовались бы рычажные системы,
которые бы оказывали силовое воздействие
на деталь. А фотоэлектрический датчик
не нагружает деталь. С его помощью можно
контролировать размеры хрупких и
непрочных деталей и узлов.

Применяются
фотоэлектрические датчики для определения
задымленности и загазованности при
промышленных выбросах в атмосферу, что
очень важно для охраны природы и здоровья
людей. Фотоэлектрические колориметры,
блескомеры, нефелометры позволяют
объективно оценить качество изготовления
и отделки различных изделий по их цвету,
полировке, прозрачности соответственно.
С помощью фотоэлектрических датчиков
выполняется автоматическое прочтение
машинописных и рукописных буквенных и
цифровых текстов.

Добавить комментарий