Фотоэлектрические датчики

Фотоэлектрические датчики

ПРОБЛЕМНОЕ ПОЛЕ

• Назначение, типы, область применения датчиков.
• Схема включения фотоэлемента

НАЗНАЧЕНИЕ

Некоторые металлы под действие света могут испускать электроны – это явление явление называют фотоэлектрическим эффектом (1888 г., А.Г.Столетов)

Фотоэлектрическим датчиком называется датчик, который реагирует на изменение освещенности.

Фотодатчики – это один из типов устройств, предназначенных для позиционирования объекта.

Задача датчика обнаружить объект на расстоянии. Это расстояние варьируется в пределах 0,3мм-50м, в зависимости от выбранного типа датчика и метода обнаружения.

НАЗНАЧЕНИЕ

НАЗНАЧЕНИЕ

• Для преобразования в электрический сигнал различных неэлектрических величин: механических перемещений, скорости размеров движущихся деталей, температуры, освещенности, прозрачности жидкой или газовой среды и т. д.
• Для установления факта наличия освещенности
• Для количественного анализа степени освещенности

НАЗНАЧЕНИЕ

Фотодатчики состоят из:

• источника излучения,
• фотоприемника,
• преобразователя сигнала,
• усилителя сигнала.

Приемник анализирует поступивший световой поток, проверяет, поступил ли он от источника излучения и передает соответствующий сигнал на усилитель и далее на исполнительное устройство.

В большинстве фотодатчиков преобразование входной неэлектрической величины в электрический сигнал осуществляется в два этапа:

• происходит ее преобразование в изменение одного из параметров светового потока (силы света, освещенности, спектрального состава и т. п.),
• изменение преобразуется фотоэлементом в электрическую величину (фототок, падение напряжения, фото-ЭДС и т. д.).

НАЗНАЧЕНИЕ

Преимущества:

• универсальность,
• отсутствие обратного воздействия на объект управления (контроля) — бесконтактность.

Недостатки:

• чувствительность к вибрациям,
• ударам,
• плохая работа в запыленной, загазованной и влажной среде,
• помехи от осветительных приборов общего освещения.

ВИДЫ ФОТОЭФФЕКТОВ

В фотоэлектрических датчиках используются 3 вида фотоэффекта (под фотоэффектом понимается явление изменения свойств вещества при изменении его освещенности):

• внешний фотоэффект под воздействием света электроны выходят из металла (эмиссия); величина тока эмиссии зависит от освещенности катода;
• внутренний фотоэффект к котором освободившиеся от ковалентной связи электроны не уходят за пределы вещества, а увеличивается его электропроводность (эти фотоэлементы меняют свое сопротивление в зависимости от освещенности);
• вентильный фотоэффект, у которого электроны переходят из слоя освещенного вещества в слой, который отделен от первого тонким запирающим слоем, обладающим большим эл.сопротивлением, и тем самым создают разность потенциалов.

ВИДЫ ФОТОЭФФЕКТОВ

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом

Это вакуумные и газонаполненные фотоэлементы, фотоумножители обладают высокой линейностью световой характеристики (зависимость фототока от светового потока), высокой температурной стабильностью характеристик. Однако они имеют и ряд существенных недостатков:

• необходимость в повышенном напряжении питания (сотни и тысячи вольт);
• хрупкость стеклянного баллона и возможность деформации электродов при механических воздействиях;
• старение и утомляемость фотоэлементов (снижение чувствительности при сильной освещенности).

Вентильные фотоэлементы

Они отличаются высокой надежностью и долговечностью не нуждаются в источнике питания, имеют малую массу и габариты. Недостатками их являются:

• сильное влияние окружающей температуры;
• утомляемость и высокая инерционность, ограничивающая применение при частоте прерывания светового потока в несколько десятков герц.

ВИДЫ ФОТОЭФФЕКТОВ

КЛАССИФИКАЦИЯ:

По способу преобразования неэлектрических величин в электрические:

Генераторного типа – с внешним фотоэффектом, которые под действием света выделяют свободные электроны. Создается разность потенциалов, возникает электрический ток, т.е. преобразование света в электрическую величину без модуляции энергии от постороннего источника.

• ваккумные (слабый сигнал, необходим усилитель)
• полупроводниковые (фотодиод, фототранзистор, вырабатывают достаточный сигнал, для измерительных приборов)

КЛАССИФИКАЦИЯ:

Оптические пирометры – это приборы в которых путем измерения радиации, яркости или цвета накаленного тела можно судить о его температуре, т.е. последовательное преобразование температуры в лучистую энергию и лучистую энергию в электрическую

КЛАССИФИКАЦИЯ:

По методу обнаружения объекта

• пересечение луча - в этом методе передатчик и приемник разделены по разным корпусам, что позволяет устанавливать их напротив друг друга на рабочем расстоянии.

Принцип работы основан на том, что передатчик постоянно посылает световой луч, который принимает приемник. Если световой сигнал датчика прекращается, в следствии перекрытия сторонним объектом, приемник немедленно реагирует меняя состояние выхода.

КЛАССИФИКАЦИЯ:

Особенности:

• обнаруживает непрозрачные и отражающие объекты

• большой диапазон действия и высокая надёжность, так как световой луч проходит через сигнальный путь только один раз

• низкая чувствительность к помехам, поэтому хорошо подходит для применения в трудных условиях, например, на открытых пространствах или в условиях загрязнения

• дополнительные затраты на установку, так как требуются установка и проводка кабеля для обеих частей

Обычно датчики со сквозным лучом применяются для контроля за производственными и упаковочными линиями, для измерения уровня заполнения в прозрачных емкостях, а также в системах прохода и в зонах повышенного риска.

КЛАССИФИКАЦИЯ

• отражение от рефлектора - в этом методе приемник и передатчик датчика находятся в одном корпусе. Напротив датчика устанавливается рефлектор (отражатель). Датчики с рефлектором устроены так, что благодаря поляризационному фильтру они воспринимают отражение только от рефлектора. Это рефлекторы, которые работают по принципу двойного отражения. Выбор подходящего рефлектора определяется требуемым расстоянием и монтажными возможностями.

Посылаемый передатчиком световой сигнал отражаясь от рефлектора попадает в приемник датчика. Если световой сигнал прекращается, приемник немедленно реагирует, меняя состояние выхода.

КЛАССИФИКАЦИЯ

КЛАССИФИКАЦИЯ

• отражение от объекта - в этом методе приемник и передатчик датчика находятся в одном корпусе. Во время рабочего состояния датчика все объекты, попадающие в его рабочую зону, становятся своеобразными рефлекторами. Как только световой луч отразившись от объекта попадает на приемник датчика, тот немедленно реагирует, меняя состояние выхода.

КЛАССИФИКАЦИЯ

• фиксированное отражение от объекта -принцип действия датчика такой же как и у "отражение от объекта" но более чутко реагирующий на отклонение от настройки на объект. Например, возможно детектирование вздутой пробки на бутылке с кефиром, неполное наполнение вакуумной упаковки с продуктами и т.д.

КЛАССИФИКАЦИЯ

• отражение от объекта - в этом методе приемник и передатчик датчика находятся в одном корпусе. Во время рабочего состояния датчика все объекты, попадающие в его рабочую зону, становятся своеобразными рефлекторами. Как только световой луч отразившись от объекта попадает на приемник датчика, тот немедленно реагирует, меняя состояние выхода.

КЛАССИФИКАЦИЯ

По своему назначению

• датчики общего применения,
• специальные датчики.

К специальным, относятся типы датчиков, предназначенные для решения более узкого круга задач. К примеру, обнаружение цветной метки на объекте, обнаружение контрастной границы, наличие этикетки на прозрачной упаковке и т.д.

КЛАССИФИКАЦИЯ

• Фоторезистор

Фоторезистор представляет собой фотодатчик, изменяющий величину своего омического сопротивления под воздействием излучения. Фоторезисторы характеризуются малым быстродействием, поэтому их применение ограничено в современной электронике.

КЛАССИФИКАЦИЯ

Фотодиод – полупроводниковый прибор, способный проводить электрический ток только в одном направлении. Регулирование величины обратного тока в цепи регулируется изменением интенсивности падающего света. Кроме того фотодиод может выступать как источник фотоэдс.

КЛАССИФИКАЦИЯ

Фототранзистор может быть выполнен с тремя выводами (как обычный транзистор) и с двумя выводами (коллектор, эмиттер). Дополнительный вывод базы фототранзистора позволяет использовать его в качестве полностью управляемого полупроводникового элемента. Фототранзисторы с двумя выводами могут управляться только световым излучением.

Проверку работоспособности фототранзистора можно провести мультиметром.

Схема фотоэлектрического датчика

Схема включения фотоэлемента

Фотореле ФР-601 компании-производителя IEK - это электротехническое изделие в настоящее время получило большую популярность в организации автоматического управления осветительными приборами. Класс защиты оболочки изделия - IP44, допускающий его эксплуатацию как в сухих и влажных помещениях, так и на улице.

Наиболее часто это фотореле используется на улице - для включения светильников, прожекторов, различных рекламных вывесок, витрин и т. п. в темное время суток и отключения в светлое - когда необходимость в дополнительном освещении отсутствует.

Замыкание и размыкание питающей цепи светильника (светильников) - собственно, включение и отключение приборов освещения, осуществляется срабатыванием электромеханического реле при изменении (достижении определенных значений) уровня освещенности.

Схема включения фотоэлемента

Схема подключения этого фотореле, изображенная на корпусе, как видно, сложностью не отличается. Для упрощения идентификации выводов реле, последние выполнены проводами с изоляцией разных цветов, подписанных в схеме, что исключает возможность их неправильного соединения при подключении.

Номинальный ток нагрузки данного изделия составляет 10 А (2,2 кВт), при большей мощности коммутируемой нагрузки, для управлением освещением следует использовать более мощный сумеречный выключатель. Рассматривая модельный ряд этого производителя, выбор можно остановить на фотореле ФР-602; его ток нагрузки составляет 20 А.

Схема включения фотоэлемента

Как видно из схемы ниже, “отходящие” провода фотореле подключаются не к мощным приборам освещения, а питают катушку пускателя KM. При срабатывании (включении) реле на катушку магнитного пускателя подается питающее напряжение, что вызывает втягивание якоря с силовыми контактами пускателя.

Схема включения фотоэлемента

Замыкание главных контактов последнего включит светильники. При наступлении светлого времени суток размыкание контактов сумеречного выключателя обеспечит разрыв питающей цепи катушки пускателя, размыкание его главных контактов и отключение нагрузки.

Такой способ подключения окажется востребованным для реализации системы автоматического управления большим количеством мощных светильников. Например, для освещения протяженных по длине улиц, больших площадей, крупных автостоянок и т. д.