Какой датчик расстояния подвержен влиянию солнечного света

Как не заблудиться в космосе?

Римский философ Сенека сказал: «Если человек не знает, куда он плывет, то для него нет попутного ветра». В самом деле, какая нам польза от двигателей, маховиков или соленоидов, если мы не знаем положения аппарата в пространстве? Этот рассказ о приборах, которые позволяют нам не заблудиться в космосе.

Технический прогресс сделал системы ориентации небольшими, дешевыми и доступными. Сейчас даже студенческий микроспутник может похвастаться системой ориентации, о которой пионеры космонавтики могли только мечтать. Ограниченность возможностей порождала остроумные решения.

Асимметричный ответ: никакой ориентации

Первые спутники и даже межпланетные станции летали неориентированными. Передача данных на Землю велась по радиоканалу, и несколько антенн, чтобы спутник был на связи при любом положении и любых кувырканиях, весили гораздо меньше, чем система ориентации. Даже первые межпланетные станции летали неориентированными:

Луна-2, первая станция, достигшая поверхности Луны. Четыре антенны по бокам обеспечивают связь при любом положении относительно Земли

Даже сегодня иногда бывает проще покрыть всю поверхность спутника солнечными батареями и поставить несколько антенн, нежели создавать систему ориентации. Тем более, что некоторые задачи нетребовательны к ориентации — например, фиксировать космические лучи можно в любом положении спутника.

• Максимальная простота и надежность. Отсутствующая система ориентации не может сломаться.

• Годится сейчас, в основном, для микроспутников, решающих сравнительно простые задачи. «Серьезным» спутникам без системы ориентации уже не обойтись.

Солнечный датчик

Фотоэлементы к середине XX века стали вещью привычной и освоенной, поэтому нет ничего удивительного, что они отправились в космос. Очевидным маяком для таких датчиков стало Солнце. Его яркий свет попадал на фоточувствительный элемент и позволял определять направление:

Различные схемы работы современных солнечных датчиков, внизу находится фоточувствительная матрица

Еще один вариант конструкции, здесь матрица изогнута

Современные солнечные датчики

• Простота.
• Дешевизна.
• Чем выше орбита, тем меньше участок тени, и тем дольше может работать датчик.
• Точность примерно одна угловая минута.

• Ориентация только по одной оси.
• Не работают в тени Земли или другого небесного тела.
• Могут быть подвержены помехам от Земли, Луны и т.п.

Инфракрасная вертикаль

Аппараты, которые летают по орбите Земли, часто нуждаются в определении местной вертикали — направления на центр Земли. Фотоэлементы видимого диапазона для этого подходят не очень — на ночной стороне Земля гораздо хуже освещена. Но, к счастью, в инфракрасном диапазоне теплая Земля светит практически одинаково на дневном и ночном полушариях. На низких орбитах датчики определяют положение горизонта, на высоких — сканируют пространство в поисках теплого круга Земли.
Конструктивно, как правило, инфракрасные построители вертикали содержат систему зеркал или сканирующее зеркало:

Инфракрасная вертикаль в сборке с маховиком. Блок предназначен для точной ориентации на Землю для геостационарных спутников. Хорошо видно сканирующее зеркало

Пример поля зрения инфракрасной вертикали. Черный круг — Земля

Отечественные инфракрасные вертикали производства ОАО «ВНИИЭМ»

• Способны строить местную вертикаль на любом участке орбиты.
• Как правило, высокая надежность.
• Хорошая точность —

• Ориентация только по одной оси.
• Для низких орбит нужны одни конструкции, для высоких — другие.
• Сравнительно большие габариты и вес.
• Только для орбиты Земли.

Корабль «Союз». Дублированные датчики ИКВ показаны стрелками

Гироорбитант

Для того, чтобы выдать тормозной импульс, необходимо знать направление вектора орбитальной скорости. Солнечный датчик даст правильную ось примерно один раз в сутки. Для полетов космонавтов это нормально, в случае нештатной ситуации человек может вручную сориентировать корабль. Но корабли «Восток» имели «братьев-близнецов», разведывательные спутники «Зенит», которым тоже нужно было выдавать тормозной импульс, чтобы вернуть с орбиты отснятую пленку. Ограничения солнечного датчика были неприемлемы, поэтому пришлось придумывать что-то новое. Таким решением стал гироорбитант. Когда работает инфракрасная вертикаль, корабль вращается, потому что ось на Землю постоянно поворачивается. Направление орбитального движения известно, поэтому по тому, в какую сторону поворачивается корабль, можно определить его положение:

Например, если корабль постоянно кренится вправо, то мы летим правым боком вперед. А если корабль летит кормой вперед, то он будет постоянно поднимать нос вверх. С помощью гироскопа, который стремится сохранить свое положение, это вращение можно определить:

Чем сильнее отклонена стрелка, тем сильнее выражено вращение по этой оси. Три таких рамки позволяют замерить вращение по трем осям и развернуть корабль соответственно.
Гироорбитанты широко использовались в 60-80-х годах, но сейчас вымерли. Простые датчики угловых скоростей позволили эффективно измерять вращение аппарата, а бортовая ЭВМ без труда определит положение корабля по этим данным.

Ионный датчик

Красивой была идея дополнить инфракрасную вертикаль ионным датчиком. На низких земных орбитах попадаются молекулы атмосферы, которые могут быть ионами — нести электрический заряд. Поставив датчики, фиксирующие поток ионов, можно определить, какой стороной корабль летит вперед по орбите — там поток будет максимальным:

Научная аппаратура для измерения концентрации положительных ионов

Ионный датчик работал быстрее — на построение ориентации с гироорбитантом уходил почти целый виток, а ионный датчик был способен построить ориентацию за

10 минут. К сожалению, в районе Южной Америки находится так называемая «ионная яма», которая делает работу ионного датчика нестабильной. По закону подлости именно в районе Южной Америки нашим кораблям надо строить ориентацию на торможение для посадки в районе Байконура. Ионные датчики стояли на первых «Союзах», но достаточно скоро от них отказались, и сейчас они нигде не используются.

Звездный датчик

Одной оси на Солнце часто бывает мало. Для навигации может быть нужен еще один яркий объект, направление на который вместе с осью на Солнце даст нужную ориентацию. Таким объектом стала звезда Канопус — она вторая по яркости в небе и находится далеко от Солнца. Первым аппаратом, который использовал звезду для ориентации, стал «Маринер-4», стартовавший к Марсу в 1964 году. Идея оказалась удачной, хотя звездный датчик выпил много крови ЦУПа — при построении ориентации он наводился не на те звезды, и приходилось «прыгать» по звездам несколько дней. После того, как датчик наконец навелся на Канопус, он стал постоянно его терять — летевший рядом с зондом мусор иногда ярко вспыхивал и перезапускал алгоритм поиска звезды.
Первые звездные датчики представляли собой фотоэлементы с небольшим полем зрения, которые умели наводиться только на одну яркую звезду. Несмотря на ограниченность возможностей, они активно использовались на межпланетных станциях. Сейчас технический прогресс, фактически, создал новый класс устройств. Современные звездные датчики используют матрицу фотоэлементов, работают в паре с компьютером с каталогом звезд и определяют ориентацию аппарата по тем звездам, которые видны в поле их зрения. Такие датчики не нуждаются в предварительном построении грубой ориентации другими приборами и способны определить положение аппарата вне зависимости от участка неба, в которое их направят.

Типичные звездные датчики

Чем больше поле зрения, тем проще ориентироваться

Иллюстрация работы датчика — по взаимному положению звезд по данным каталога рассчитывается направление взгляда

• Максимальная точность, может быть меньше угловой секунды.
• Не нуждается в других приборах, может определить точное положение самостоятельно.
• Работают на любых орбитах.

• Высокая цена.
• Не работают при быстром вращении аппарата.
• Чувствительны к засветке и помехам.

Магнитометр

Сравнительно новым направлением является построение ориентации по магнитному полю Земли. Магнитометры для измерения магнитного поля часто ставились на межпланетные станции, но не использовались для построения ориентации.

Магнитное поле Земли позволяет строить ориентацию по всем трем осям

«Научный» магнитометр зондов «Пионер-10» и -11

Первый цифровой магнитометр. Эта модель появилась на станции «Мир» в 1998 г. и использовалась в посадочном модуле «Филы» зонда «Розетта»

• Простота, дешевизна, надежность, компактность.
• Средняя точность, от угловых минут до нескольких угловых секунд.
• Можно строить ориентацию по всем трем осям.

• Подвержен помехам в т.ч. и от оборудования космического аппарата.
• Не работает выше 10 000 км от Земли.

Гиростабилизированная платформа

Исторически, космические аппараты часто летали неориентированными или в режиме солнечной закрутки. Только в районе цели миссии они включали активные системы, строили ориентацию по трем осям и выполняли свою задачу. Но что, если нам необходимо поддерживать произвольную ориентацию длительное время? В этом случае нам надо «помнить» текущее положение и фиксировать свои повороты и маневры. А для этого человечество не придумало ничего лучше гироскопов (измеряют углы поворота) и акселерометров (измеряют линейные ускорения).
Гироскопы
Широко известно свойство гироскопа стремиться сохранить свое положение в пространстве:

Изначально гироскопы были только механическими. Но технический прогресс привел к появлению множества других типов.
Оптические гироскопы. Очень высокой точностью и отсутствием движущихся деталей отличаются оптические гироскопы — лазерные и оптоволоконные. В этом случае используется эффект Саньяка — фазовый сдвиг волн во вращающемся кольцевом интерферометре.

Лазерный гироскоп

Твердотельные волновые гироскопы. В этом случае измеряется прецессия стоячей волны резонирующего твердого тела. Не содержат движущихся частей и отличаются очень высокой точностью.

Вибрационные гироскопы. Используют для работы эффект Кориолиса — колебания одной части гироскопа при повороте отклоняют чувствительную часть:

Вибрационные гироскопы производятся в MEMS-исполнении, отличаются дешевизной и очень маленькими размерами при сравнительно неплохой точности. Именно эти гироскопы стоят в телефонах, квадрокоптерах и тому подобной технике. MEMS-гироскоп может работать и в космосе, и их ставят на микроспутники.

Размер и точность гироскопов наглядно:

Акселерометры
Конструктивно, акселерометры представляют собой весы — фиксированный груз меняет свой вес под воздействием ускорений, и датчик переводит этот вес в величину ускорения. Сейчас акселерометры кроме больших и дорогих версий обзавелись MEMS-аналогами:

Пример «большого» акселерометра

Микрофотография MEMS-акселерометра

Комбинация трех акселерометров и трех гироскопов позволяет фиксировать поворот и ускорение по всем трем осям. Такое устройство называется гиростабилизированной платформой. На заре космонавтики они были возможны только на карданном подвесе, были очень сложными и дорогими.

Гиростабилизированная платформа кораблей Apollo. Синий цилиндр на переднем плане — гироскоп. Видео испытаний платформы

Вершиной механических систем были бескарданные системы, когда платформа висела неподвижно в потоках газа. Это был хайтек, результат работы больших коллективов, очень дорогие и секретные устройства.

Сфера в центре — гиростабилизированная платформа. Система наведения МБР Peacekeeper

Ну а сейчас развитие электроники привело к тому, что платформа с пригодной для простых спутников точностью умещается на ладони, ее разрабатывают студенты, и даже публикуют исходный код.

Интересным нововведением стали MARG-платформы. В них данные с гироскопов и акселерометров дополняются магнитными датчиками, что позволяет исправлять накапливающуюся ошибку гироскопов. MARG-датчик, наверное, самый подходящий вариант для микроспутников — он маленький, простой, дешевый, не имеет движущихся частей, потребляет мало энергии, обеспечивает ориентацию по трем осям с коррекцией ошибок.
В «серьезных» системах для исправления ошибок ориентации гиростабилизированной платформы обычно используют звездные датчики.
Траекторную ошибку, как правило, исправляют системами радиоконтроля орбиты — антенны на Земле по сигналам с аппарата могут очень точно определить его положение и скорость. На низких орбитах для этого недавно появился дешевый аналог — GPS/ГЛОНАСС.

Дополнительные источники информации

По тегу «незаметные сложности» — публикации о ракетах-носителях, стартовых сооружениях, системах ориентации.

Применение датчика расстояния и обзор видов

В эру технологий и всеобъемлющего прогресса нельзя даже предположить, что даже самая незначительная часть человеческой жизни останется без внимания. К примеру, на данный момент для улучшения процесса измерения расстояний широкое применение получил специальный датчик. Теперь нет никакой необходимости ходить по земельному участку с линейкой. Все можно сделать не покидая своего места. Причем результат будет получен в течение нескольких минут.

На фото представлены различные виды датчиков расстояния

Что это такое?

Под термином датчик расстояния понимают программу или устройство, которое необходимо для того, чтобы проводить «бесконтактное» измерение длины, высоты или ширины объекта.

Необходимо отметить, что устройство этого типа имеет следующие особенности:

• Все приборы имеют различное разрешение: от 0,01 мм до 1 мм;
• Каждое из устройств занимается измерением расстояния. Причем все они могут использовать разный метод замера.
• Имеют небольшие габаритные размеры.
• Не требуют особых навыков при эксплуатации.

Для удобства датчик этого вида встраивают непосредственно в смартфон. Именно за счет него у многих пользователей сети и любителей заниматься спортом появилась возможность замерять пройденное расстояние и «проработанную» нагрузку.

Также стоит отметить, что датчик расстояния входит в одну область с датчиком присутствия и движения. Фактически ими «занимается» одно программное обеспечение, но вот функции выполняет различные.

Принцип работы

Фактически работа датчиков расстояния сводится к тому, что прибор посылает сигнал (лазерный луч, ультразвуковое излучение, ИК-луч или магнитный поток) и в конечном итоге получает два результата. Расстояние до конечной точки и расстояние до первоначальной его стороны. Так при разности этих двух замеров можно получить размер объекта. Именно это обозначение и будет выводиться на экран.

На данный момент на отечественном рынке специального оборудования можно приобрести различные виды датчиков необходимых для измерения расстояния. Наиболее популярными являются следующие разновидности датчиков:

ИК датчик расстояния – этот вариант устройства использует для определения расстояния инфракрасный луч;

ИК датчик расстояния на фото

На снимке представлен оптический датчик расстояния

Лазерный

Если речь заходит о лазерном датчике, то по мнению опытных специалистов следует отдавать предпочтение следующим вариантам исполнения:

Аrduino – этот прибор зарекомендовал себя на отечественном рынке как один из самых надежных и качественных.

На фото лазерный датчик расстояния Аrduino

На снимке изображен лазерный датчик расстояния высокой точности

Ультразвуковой

В том случае, если предпочтение было отдано датчику, необходимому для измерения расстояния, ультразвукового типа, то стоит выбирать из трех следующих вариантов:

НС sr04 – изделие имеет разрешение от 2см до 400 см. предназначено для замера крупногабаритных объектов.

Ультразвуковой датчик измерения расстояния НС sr04 на фото

ультразвуковой датчик измерения расстояния

Стоимость

В зависимости от функциональных возможностей датчиков для измерения расстояния и компании производителя стоимость данного оборудования может варьироваться в промежутке от 2 300 до 6 000 рублей.

К тому же на цену технического оборудования этого типа влияет еще и техническая составляющая. Если прибор может огибать препятствия и имеет высокий уровень распознавания погрешностей в измерении, то его цена существенно возрастет.

Где купить датчик расстояние?

1. Интернет-магазин Прицелься.ру, г. Москва, Багратионовский проезд. д.7 ТВЦ «Горбушкин двор» павильон B1-054, Контактный телефон: +7 (495) 798 78 11;
2. Компания Алламо г.Москва, ул. Ярославская, д. 15, корп.2, этаж 6(мансарда), офис А, м. ВДНХ, Контактный телефон: 8 (495) 565-33-12, 8 (800) 555-41-73 (бесплатно со всех телефонов РФ).
3. Торговая компания ЛазерСтрой г. Москва, ул. Декабристов, д. 4, корп. 3 (ст.м.”Отрадное”), Контактный телефон: 8(495) 664-36-57; 8(926) 394-17-86.

1. Компания 220 Вольт, г.Санкт-Петербург, ул. 18-я линия, В.О.,29, Контактный телефон: +7 (812) 6220220;
2. ООО ВладМи, г. Санкт-Петербург, ул. Кузнецовская, 21 оф.11, Контактный телефон: +7 (812) 387-02-48;
3. Торговая компания Новобыт, г. Санкт-Петербург, Парнас, 3-й Верхний переулок, д. 9. Контактный телефон: 8 800 250 5815.

Видео

Смотрите видео-ролик об ультразвуковом датчике расстояния HC-RS04:

Не следует самостоятельно пытаться отремонтировать устройства этого типа. Если на корпусе будут иметься повреждения механического характера или, к примеру, будет сорвана гарантийная пломба, компания производитель даст отрицательный ответ в обслуживании. Иными словами, если будут нарушены первичные условия, то организация не обязана выполнять бесплатный ремонт датчика измерения расстояния.

Советы при выборе, установке и эксплуатации фотоэлектрических датчиков

Разнообразие фотоэлектрических датчиков от различных производителей заставляет потребителей чаще обращаться за советами к специалистам по выбору, установке и эксплуатации.

Разнообразие фотоэлектрических датчиков от различных производителей заставляет потребителей чаще обращаться за советами к специалистам по выбору, установке и эксплуатации.

Долговечность эксплуатации фотоэлектрических датчиков (далее ФД) напрямую зависит от ряда факторов. Правильность подбора очень важна.

Как правильно подобрать фотоэлектрический датчик?

Шаг 1 . Начинаем с выбора питающих напряжений с учетом их изменений в установке. Возможно питание от источника постоянного тока 12…24 В (с нестабильностью до 10%), источника постоянного тока 24 В (где возможен разброс от 18 до 30 В) – от выбора напряжения питания зависит выходное напряжение аналогового выхода.

Также питание может быть обеспечено от преобразователя переменного тока в постоянный, например, универсальные фотодатчики с питанием от 24-240 В AC/DC (разброс 20…264 В AC/DC).

Шаг 2 . С напряжением определились, далее подбираем необходимый нам тип датчика.

Рассмотрим первыми однолучевые световые барьеры. Они представляют собой парные датчики (один приемник, второй передатчик), разнесенные и направленные друг на друга. Главный плюс таких ФД расстояние срабатывания – можно найти исполнения до 60 м.

При выборе таких датчиков нужно учитывать наличие искусственной или естественной засветки фотодатчиков, так как они очень к ней критичны при попадании на приемник солнечного или другого света, и возможны ложные срабатывания.

Также высокие требования к месту установки: не должно быть сильных вибраций и колебаний конструкций, малейшие пульсации (особенно на большие расстояния), ведут к ошибкам.

По такому же принципу работают и щелевые датчики.

Второй тип, это датчики диффузного отражения. Улавливают отраженный от объекта луч света. Плюсы таких датчиков – это легкость настройки из-за видимого красного пятна (исключение ИК датчики), которое мы настраиваем на объект обнаружения.

Минус таких датчиков – это малое расстояние срабатывания (очень мало фирм, выпускающих датчики на расстояние более 3 м). Если ФД будет использоваться в ограниченном пространстве, или далее на пути луча за объектом обнаружения есть препятствие, то нужно использовать фотодатчики с подавлением заднего фона, и обязательно учитывать это при выборе.

Также нужно брать в расчёт и минимальное расстояние срабатывания таких датчиков, если объект будет слишком близко к ФД, он может его не увидеть или выдать ошибку, так как у таких датчиков имеется слепая зона (для датчиков с диагностикой, например IFM с IO-Link). Диффузионные датчики менее подвержены ложным срабатываниям из-за вибраций.

Третий тип фотоэлектрических датчиков – рефлекторные датчики. Они улавливают отраженный луч от специального отражателя (рефлектора).

Принцип схож с диффузными, только отражение происходит не от объекта, а от специального отражателя. Приемник и излучатель, как и в диффузных датчиках, находятся в одном корпусе.

Плюс таких устройств – большие расстояния обнаружения, но меньше чем у однолучевых (до 35 м).

Стоит отметить, что рефлектору не требуется дополнительное питание, но он больше подвержен загрязнениям из-за большой площади по сравнению с самим датчиком.

При установке надо обратить внимание на вибрации и колебания места крепления как самого фотоэлектрического датчика, так и рефлектора.

Итак, выбрали необходимый нам тип ФД, определяем тип срабатывания.

Типы срабатывания фотодатчиков и виды сигнала на выходе

Фотоэлектрические датчики по виду срабатывания бывают двух типов, которые срабатывают:

1. на затемнение (появление объекта ‒ сигнал),
2. на свет (отсутствие объекта ‒ сигнал).

По этому принципу датчик выбирается по задаче. Многие современные датчики имеют на корпусе переключатель режима работы.

Рассмотрим выходы ФД.

• по проводимости PNP или NPN;
• по исходному состоянию выходов NO, NC или NO/NC.

PNP – сигнал: датчик выдает положительную единицу относительно питающего минусового провода. Нагрузку подключаем как на рисунке (где 4 провод – цифровой выход).

NPN – сигнал: датчик выдает отрицательный потенциал относительно питающего плюсового провода. Нагрузку подключаем как на рисунке (где 4 провод – цифровой выход).

NO (Normal Open или нормально открытый) сигнал означает, что сигнал на выходе ФД появится при его срабатывании. В нормальном состоянии на выходе ноль.

NС (Normal Closed или нормально закрытый) сигнал означает, что сигнал на выходе есть всегда, когда он не сработал. Т.е в нормальном состоянии на выходе 1.

Выбираем нужный типоразмер фотоэлектрического датчика

Сейчас на сайте представлены различные варианты исполнения фотоэлектрических датчиков: цилиндрические, прямоугольники и т.д. Здесь нужно учитывать необходимые нам особенности установки ФД.

По способу подключения фотодатчики бывают:

• разъемные,
• с кабелем,
• с разъемом на кабеле.

При использовании ФД с разъемом нужно учитывать, что габаритный размер немного увеличивается, но появляется и ряд плюсов, например, при работе датчика в непосредственной близости с линиями высокого напряжения не будет никаких сбоев в работе, а также у него меньше цена, и такой датчик проще менять.

Фотодатчик с кабелем имеет меньшие габариты, при выходе из строя кабеля можно заменить только кабель, а в случае разъема придется менять весь датчик.

Несколько слов об установке и эксплуатации фотодатчиков

Что важно помнить:

• Датчик обязательно фиксировать на все предусмотренные производителем места установки;
• Использовать кронштейны, предотвращающие излишние вибрации;
• Не оставлять свободно болтающимися кабели и разъемы, все лишнее фиксировать;
• Если есть возможность, устанавливать защитные кожухи и любыми способами защищать от механических воздействий, а также от оседаний пыли;
• Своевременно производить очистку ФД и рефлекторов.

Обратитесь к специалистам компании ООО « РусАвтоматизация »
для правильного подбора оптического датчика положения.

Оптические датчики положения

Оптические бесконтактные датчики положения широко применяются для контроля положения и перемещения объектов или частей технологических установок. Принцип действия оптических датчиков положения основан на измерении степени ослабления оптического луча, прошедшего путь от излучателя до приемника, являющихся частями датчика. Для повышения помехозащищенности и снижения влияния внешних источников освещения в оптических датчиках положения обычно используется модулированное излучение -луч излучателя датчика пульсирует с частотой от 5 до 30 кГц. Излучатель датчика состоит из излучающего светодиода и питающего его генератора последовательности импульсов. В датчиках применяют светодиоды, которые испускают импульсы света в спектре от видимого зеленого света до невидимого инфракрасного излучения в зависимости от сферы применения датчика. Излучатель, кроме того, может иметь регулировки интенсивности излучения и индикатор работы. Приемник состоит из фотодетектора (фотодиода), демодулятора, порогового устройства (триггера) и выходных цепей (PNP или NPN транзистор с открытым коллектором, реле, аналоговый выход NAMUR, IO-link и др.). При необходимости приемник оснащается регулятором чувствительности и индикатором работы.

Оптические датчики положения относятся к фотоэлектрическим датчикам, так как принцип их действия основан на обнаружении световых сигналов. Когда луч света от датчика достигает объекта контроля возникают такие явления как передача света, отражение и поглощение света. То, какое явление преобладает в этом случае зависит от взаимного расположения излучателя и приемника, размеров объекта, его материала, толщины, цвета и шероховатости поверхности. В зависимости от того, на каком оптическом явлении основан принцип обнаружения объектов, оптические датчики положения делятся на три типа:

• тип T– датчики с приемом прямого луча от излучателя;
• тип R– рефлекторные датчики с приемом луча, возвращенного от отражателя;
• тип D– диффузионные датчики с приемом луча, рассеянно отраженного от объекта контроля.

Датчики Т-типа имеют так называемую разнесенную оптику – излучатель и приемник располагаются друг напротив друга на некотором расстоянии. При прохождении объекта между излучателем и приемником оптический луч прерывается и приемник датчика формирует выходной сигнал, сигнализируя о наличии объекта в зоне контроля. Датчики данного типа часто называют барьерными или датчиками с пересечения луча. Приемник и излучатель должны быть из одного комплекта от одного производителя.

Датчики Т-типа удобны для контроля непрозрачных или хорошо отражающих объектов, но могут давать неудовлетворительные результаты при обнаружении прозрачных объектов. Так как излучатель и приемник в датчиках данного типа конструктивно выполнены в разных корпусах, что позволяет установить максимальный коэффициент усиления, то их можно использовать в условиях высокой загрязненности рабочей среды. Максимальное расстояние между излучателем и приемником, так называемая зона срабатывания, может достигать 350 м.

Зона срабатывания оптических датчиков это диапазон допустимых расстояний от датчика до объекта контроля, на которых осуществляется его обнаружение. Зона срабатывания зависит от взаимного расположения излучателя и приемника, коэффициента усиления, принципов распределения светового луча и диаметра светового пятна, так как приемник датчика срабатывает только при попадании объекта в зону светового пятна. У оптических датчиков Т-типа отсутствует так называемая «слепая» зона, поэтому зона срабатывания равна расстоянию между излучателем и приемником. Размер эффективного светового луча датчика Т-типа равен диаметру линзы излучателя и приемника. Поэтому минимальный размер объекта контроля должен быть больше диаметра линзы датчика.

В датчиках R-типа приемник и излучатель расположены в одном корпусе. Датчики данного типа для своей работы требуют установки специального рефлектора-отражателя. У датчиков положения данного типа излучатель и приемник располагаются в одном корпусе и «смотрят» в одну сторону – в сторону установленного точно напротив датчика на определенном расстоянии специального отражателя. Луч от излучателя проходит двойное расстояние: от излучателя до отражателя и в обратную сторону — от отражателя до приемника. Если на пути луча возникает объект, приемник формирует выходной сигнал. Обратная логика работы датчика может быть реализована путем установки отражателя на объекте, перемещение которого контролируется датчиком. Датчики данного типа еще называют рефлекторными. Рефлекторы, которые еще называют отражателями, катафотами или мишенями, приобретаются отдельно от датчиков. Рефлекторы могут иметь различную форму и размеры. Диапазон измерений рефлекторных датчиков положения обычно указывается при использовании конкретной модели отражателя.

Зона срабатывания рефлекторных датчиков (расстояние от линзы излучателя до рефлектора) может достигать 55 м. Размеры контролируемого объекта должны быть больше размеров применяемого рефлектора.

Рефлекторные датчики могут нестабильно работать при обнаружении блестящих объектов, отражающих световой луч датчика от своей поверхности, из-за чего датчик не сможет определить от чего произошло отражение: от рефлектора или объекта. Для обнаружения хорошо отражающих предметов используют рефлекторные датчики с поляризационными фильтрами и специальными угловыми кубическими рефлекторами, изменяющими плоскость поляризации светового луча на 90°. Поляризационные фильтры размещаются перед линзой излучателя и приемника и пропускают только поляризованный в одной плоскости световой пучок. Излученный излучателем пучок света поляризуется в вертикальной плоскости. Световой луч, отраженный от рефлектора имеет измененную на 90° плоскость поляризации — луч становиться горизонтально поляризованным. Поэтому он без проблем проходит через горизонтальный поляризационный фильтр приемника. Если же луч отражается от блестящего объекта, то его вертикальная поляризация не меняется и он блокируется горизонтальным поляризационным фильтром приемника и датчик обнаруживает этот объект.

При работе с поляризованными рефлекторными датчиками положения не рекомендуется использовать в качестве рефлектора отражающие наклейки – необходимо использовать специальные угловые кубические рефлекторы.

Некоторые модели рефлекторных датчиков способны обнаруживать стеклянные предметы, так как очень чувствительны даже к небольшой разнице между излученным и принятым световым сигналом.

Датчики D-типа по конструкции и принципу действия схожи с датчиками R-типа, но отражателем в данном случае является сам контролируемый объект. Еще одним отличием от датчиков R-типа является то, что при отсутствии объекта оптический тракт оказывается разомкнутым — луч от излучателя попадает в приемник лишь при наличии объекта перед датчиком. Так как приемник датчика принимает рассеяно отраженный от объекта луч, то интенсивность этого луча сильно зависит от характеристик поверхности объекта и расстояния до объекта. Для разных материалов будут разные нормированные расстояния срабатывания. Для грубой корректировки расстояний срабатывания в зависимости от материала объекта нужно использовать корректирующие коэффициенты, указанные в руководстве по эксплуатации датчика, например:

• Матовая белая поверхность — 1,0;
• Серый ПВХ – 0,57;
• Белый пластик – 0,7;
• Черный пластик – 0,22;
• Матовый алюминий — 1,2;
• Полированная нержавеющая сталь – 2,3.

При выборе конкретной модели датчика D-типа особое внимание нужно уделить цвету и шероховатости поверхности объектов контроля. Если предполагается контролировать объекты темного цвета с шероховатой поверхностью необходимо выбирать датчики с возможностью регулировки чувствительности.

Разновидностью датчиков D-типа являются датчики с подавлением переднего фона, заднего фона и переднего и заднего фона одновременно. Датчики с подавлением фона предназначены для обнаружения предметов на строго определенном расстоянии. Оптические датчики с подавлением фона применяются, например, для обнаружение тонких объектов лежащих на конвейерной ленте, контроля наличия продукции в упаковке, небольшого отклонения уровня или плоскостности поверхности объекта, обнаружения объектов движущихся в несколько рядов – датчики с подавлением фона позволяют «разглядеть» объекты во втором ряду не реагируя на объекты в первом, ближнем к датчику ряду и наоборот.

Регулировка расстояния обнаружения в датчиках с подавлением фона осуществляется не путем изменения его чувствительности, а методом оптической триангуляции. В конструкции датчиков данного типа имеется внутренний датчик положения (PSD – position sensor detector), который определяет угол падения отраженного от объекта луча, а значит расстояние до него. Благодаря измерению угла отражения датчики D-типа с подавлением фона могут обнаруживать все объекты на заданном расстоянии не зависимо от их цвета.

Максимальное расстояние срабатывание датчиков D-типа редко превышает 4 м. Вблизи датчика существует некоторая «слепая» зона, размер которой зависит от конструкции датчика. Эффективный пучок света диффузионных датчиков равен размеру объекта контроля. Диффузионные датчики намного проще монтировать по сравнению с датчиками Т и R-типа так как при этом не требуется совмещения оптических осей излучатели и приемника или датчика и мишени. По этой же причине датчики D-типа наиболее устойчивое к вибрациям решение из числа оптических датчиков положения.

В сравнении с широко применяемыми в промышленности бесконтактными емкостными, индуктивными и ультразвуковыми датчиками положения, а также механическими концевыми выключателями оптические датчики положения имеют ряд преимуществ:

• Бесконтактный метод контроля положения и перемещения объекта. Как следствие отсутствует механический износ, дребезг контактов и ложные срабатывания;
• Зона срабатывания и обнаружения объекта от нескольких миллиметров до нескольких сотен метров в зависимости от типа датчика;
• Высокая скорость отклика. Датчики положения оптического типа с успехом применяются на конвейерных лентах, где объекты движутся с высокой скоростью и плотностью размещения на ленте. Датчики данного типа могут применятся не только для контроля объектов, но и для счета этих объектов. Частота переключений может достигать 30 кГц;
• Возможность обнаружения объектов очень малых размеров. Так как оптический луч оптических датчиков положения с помощью системы линз, диафрагм и оптоволоконных кабелей можно сфокусировать в очень тонкий пучок это позволяет контролировать наличие объектов очень небольших размеров;
• Возможность обнаружения объектов из различных материалов. Если индуктивные и емкостные датчики накладывают определенные ограничения на такие характеристики контролируемого объекта как магнитные свойства и диэлектрическая проницаемость, то оптические датчики, при соответствующей настройке, с успехом обнаруживают объекты практически из любого материала. Оптические датчики положения используются в том числе и для обнаружения тонких и прозрачных объектов, таких как полиэтиленовая пленка. Обычно для этих целей используют датчики с видимым излучением красного цвета;
• Возможность настройки расстояния срабатывания для выборочного контроля и счета объектов, движущихся перед датчиков в несколько рядов;
• Наличие таймера срабатывания для подавления случайных оптических помех;
• Возможность обнаружения объектов с очень высокой температурой, например, литья, поковок, проката и т.п;
• Нечувствительность к магнитным полям, электростатическим помехам;
• Нечувствительность к ионизирующему излучению и возможность установки в крайне стесненном пространстве (для оптоволоконных оптических датчиков положения).

К недостаткам оптических датчиков положения можно отнести:

Возможность ложных срабатываний при работе в условиях высокой запыленности, тумана, интенсивной внешней засветки, низких температур, сильной вибрации;

• Невозможность обнаружения объекта через непрозрачную преграду или стенку резервуара или контейнера;
• Трудоемкую процедуру совмещения оптических осей излучателя и приемника у датчиков T-типа при их монтаже, особенно если расстояние между ними превышает несколько десятков метров;
• Необходимость настройки чувствительности датчика у датчиков D-типа, в зависимости от отражающей способности поверхности контролируемых объектов;
• Постепенная деградация излучателя (светодиода) датчика из-за чего интенсивность его излучения постепенно падает и со временем может потребоваться подстройка чувствительности датчика;
• Наличие слепых зон у датчиков D и R-типа. Слепой называется зона от активной поверхности оптического датчика до минимального расстояния его срабатывания. В слепой зоне объект не обнаруживается датчиком.

С помощью оптических датчиков положения можно не только контролировать положение объектов и вести их счет на высокой скорости, но и оценивать их геометрические размеры в одном или даже двух измерениях. Такая возможность осуществляется с помощью световых барьеров и световых решеток – множества фотоэлектрических датчиков объединенных в линейки с определенным шагом размещения датчиков в ней.

Благодаря своим высоким потребительским качествам, точности и высокой скорости обнаружения объектов, разнообразным конструктивным исполнениям и относительно невысокой стоимости, оптические датчики нашли широкое применение. Обилие различных аксессуаров и опций, таких как, подогрев оптики, оптоволоконные удлинительные кабели, поляризационные фильтры, аналоговые, цифровые и дискретные выходные сигналы, лазерный излучатель вместо светодиодного существенно расширяют сферу применения данных датчиков как по условиям эксплуатации так и по возможности их интеграции в существующую систему автоматизированного управления.

При подготовке публикации использованы информационные материалы компании Русавтоматизация.