Волоконно-оптический датчик — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 22 января 2019; проверки требует 1 правка. Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 22 января 2019; проверки требует 1 правка. Волоконно-оптический датчик

Волоконно-оптический датчик — небольшое по размерам устройство, в котором оптическое волокно используется как в качестве линии передачи данных, так и в качестве чувствительного элемента, способного детектировать изменения различных величин.

Элементы, используемые в волоконно-оптических датчиках, являются абсолютно пассивными по отношению к электричеству, что позволяет применять их в различных отраслях^[1].

Датчики на оптическом волокне, обладают целым рядом преимуществ:

• возможность мультиплексирования
• дистанционные измерения
• устойчивость к электромагнитным помехам
• отсутствие электричества в точке измерения
• долговременная стабильность

Точечные датчики[править | править код]

Чувствительным элементом точечных волоконно-оптических датчиков являются волоконные брэгговские решетки. Волоконная брэгговская решетка представляет из себя селектирующее зеркало. Это значит, что если завести в оптоволокно излучение от широкополосного источника, то обратно отразится свет с очень узкой спектральной полосой с центром на длине волны Брэгга. Оставшийся свет продолжит идти в оптоволокне без каких-либо потерь. Длина волны Брэгга определяется периодом решетки и показателем преломления сердцевины.

Технология волоконных брэгговских решеток позволяет размещать множество датчиков в одной оптоволоконной линии и производить абсолютные измерения без калибровки. Эти уникальные особенности делают данную технологию наиболее подходящим и надежным решением для продолжительного мониторинга.

Распределенные датчики[править | править код]

Распределенный датчик температуры (distributed temperature sensor) состоит из двух частей — опросного устройства с лазерным источником и оптоволоконного измерительного кабеля. Данная система способна производить измерение температуры на большие расстояния. Принцип работы системы распределенного датчика заключается в следующем: опросное устройство испускает лазерный импульс длительностью 10 нс, который претерпевает обратное рассеивание в каждой точке оптоволоконного кабеля. Анализ спектра обратного рассеивания позволяет определить температуру каждой точки волоконно-оптического кабеля.

[2]

Аналогично устроен распределённый акустический датчик (distributed acoustic sensor) — когерентный рефлектометр, только анализируется в нём не изменения спектра, а колебания интенсивности рассеянного излучения. По параметрам этих флуктуаций можно судить о вызвавшем данную акустическую волну источнике. Прибор используется как система мониторинга протяжённых объектов, а также для составления акустических сечений скважин.

Точечные датчики[править | править код]

Существуют точечные датчики различных величин:

• деформации
• температуры
• давления
• вибрации
• угла наклона
• линейных перемещений

Распределенные датчики[править | править код]

Существуют распределенные датчики таких величин как:

• температуры
• деформации

Благодаря своим уникальным характеристикам, оптоволоконные датчики на основе брэгговских решеток нашли своё применение во многих областях, таких как строительство и геотехника, аэрокосмическая, энергетическая и нефтегазовая промышленность.

Системы мониторинга, основанные на данной технологии, экономически эффективны при использовании на крупномасштабных объектах — там, где необходима установка сотен датчиков для продолжительных измерений различных физических параметров. Волоконные брэгговские решетки также являются самым надёжным решением при работе с агрессивными средами, где датчики находятся в экстремальных условиях.

Отрасль	Применение ВОД
Горнодобывающая отрасль	пожарное извещение в шахтах мониторинг НДС шахтных стволов и горных выработок распределенный термомониторинг конвейрных лент
Нефтяная отрасль	термомониторинг скважин
Газовая отрасль	мониторинг трубопроводов и КС
Гидроэнергетика	мониторинг ГЭС
Электроэнергетика	распределенный мониторинг силового кабеля мониторинг вибрации и температуры генераторов дуговая защита ячеек распределительных устройств 6-35 кВ
Строительство и ЖКХ	мониторинг элементов конструкции зданий (фундамент, несущие конструкции, балки и перекрытия) мониторинг мостов, эстакад мониторинг «умного дома» мониторинг состояния теплотрас
Авиация и космос	внедрение чувствительных элементов в композиционные материалы (мониторинг деформации и температуры) бортовая система мониторинга

Волоконно-оптические датчики: принцип действия, конструкция, разновидности

Оптически-волоконные детекторы представляют собой устройства, используемые во многих сферах промышленности для определения концентрации веществ, скорости вращения, показателя преломления, механического напряжения, давления, уровня жидкости, температуры, вибрации, ускорения, положения в пространстве. Оптически волоконный тип датчиков приобретает все большее распространение для фиксации изменения параметров в ходе технологических процессов благодаря стабильности в течении продолжительного периода времени, устойчивости к помехам, имеющим электромагнитную природу, возможности бесконтактного измерения и другим преимуществам.

Основу для измерения величины, на которую в ходе определенных воздействий изменяются перечисленные величины, используется изучение показателей отраженного пучка света, пропускаемого через оптическое волокно.

История появления

Развитие технологий предусматривает разработку автоматизированных систем управления и контроля, внедрение сенсорных элементов, позволяющих с высокой точностью контактным или бесконтактным способом определять изменение физических величин. Среди других требований к перспективным конструкциям современных метрологических устройств, специалисты называют:

• долговечность;
• небольшие затраты энергии на работу;
• возможность применения совместно с микроэлектронными устройствами для обработки данных;
• стабильность;
• небольшие габариты;
• малый вес;
• высокая достоверность получаемой информации;
• малая трудоемкость изготовления;
• небольшая стоимость.

Специалисты утверждают, что приобретающие все большую популярность детекторы из оптоволокна соответствуют приведенному списку по большинству пунктов. Оптическая электроника находится на стыке электроники и оптики, принцип ее работы основан на возможности использования в радиотехнике волн оптического диапазона. Возможность синтеза электронного и оптического устройства была обоснована Лоебнером в 1955 г, когда ученый описал основные параметры таких приспособлений, называя их оптронами.

Следующей важной вехой в развитии технологии было создание волокон оптического типа, основанного на успешном опыте получения фирмой Корнинг (США) волокон с небольшим показателем затухания, не превышающим 20 дБ/км. Первые работоспособные прототипы датчиков были разработаны во второй половине 70-х годов прошлого века. Следующие 10 лет после этого (1972-1982 гг) усилия исследователей были направлены на снижение потерь при передаче для оптических волокон различных видов.

Таким образом, изначально предназначенная для обеспечения связи, оптоволоконная отрасль развилась до выпуска приборов, основанных на изучении параметров электромагнитных волн, проходящих через световод и производства высокоточных датчиков.

Общий принцип действия оптоволоконных датчиков

Принцип работы волоконно-оптических датчиков основан на преобразовании сигнала, полученного от чувствительного элемента в результате внешних изменений в показатели рассеянного или отраженного излучения. Специалисты в этой области электроники говорят о том, что в качестве выходного параметра в различных типах детекторов может измеряться:

• Распределение параметров состава излучения по спектру или моде.
• Фаза электромагнитной волны.
• Показатели поляризации.
• Интенсивность оптической волны.

Одним из основных элементов, позволяющих передавать сигнал об изменении свойств или состояния объекта, являются оптические модуляторы.

Важно! При воздействии управляющего сигнала на твердотельные устройства, предназначенные для модулирования электромагнитной волны, за счет изменения параметров материала происходит колебание оптических характеристик используемого вещества.

Общий принцип действия оптоволоконных детекторов состоит в том, что электромагнитная волна, генерируемая супер-люминесцентным оптическим источником или лазером, передается через волокно. При этом вследствие действия внешних факторов наблюдаются изменения в решетках Брэгга или незначительное колебания параметров волокна, которые достигают модуля детектирования, где происходит прием сигнала, его усиление и оценка.

Обратите внимание! Сам по себе прибор представляет собой устройство, имеющее небольшие размеры, характерной особенностью которого является то, что волокно выступает в качестве сенсора, способного определять параметры изменения величин и в качестве линии передачи сигнала.

Разновидности

Управляющий сигнал связан со свойствами материала посредством магнитооптических, акустооптических или электрооптических характеристик. По особенностям строения и принципу действия, специалисты различают такие виды детекторов, как:

• волоконно-оптическая разновидность, отличающаяся тем, что в нем в качестве сенсора выступает волокно, оптические характеристики которого изменяются под воздействием факторов внешней среды;
• элементы с оптически-волоконными связями, в которых сенсор располагается на участке разрыва волокна, в результате чего может воздействовать на светопередачу;
• интегрально-оптические датчики, использующие в качестве чувствительного элемента световод планарного типа, принцип действия которого базируется на нарушении полного внутреннего отражения для лучей, проходящих вдоль его поверхности и выходящих за нее в результате изменения показателей преломления;
• оптопары, имеющие открытый канал, в котором располагается промежуточный элемент или изучаемая среда.

Деформации

1 группа

Специалисты в области автоматики разделяют детекторы этой группы на:

• Датчики деформации, действие которых основывается на изменении параметров дифракционной решетки Брэгга, нанесенных на поверхность волокна. В процессе прохождения через волоконно-оптическую линию излучение воспринимает решетку, как зеркало, показатели отражения которого зависят от ее периода.

Обратите внимание! При изменении параметров тела, связанного с кабелем происходит растяжение или сжатие решеток, в результате чего изменяется показатель их отражения, что фиксирует регистрирующая аппаратура.

2 группа

• Вторая конструкция основана на принципе действия интерферометра Фабри-Перро. Одна сторона кабеля прозрачна и способна пропускать излучение, а другая – полностью отражает его.

Важно! Электромагнитная волна, отраженная от обеих поверхностей поступает на приемник сигнала, где происходит интерференция, анализ картины которой позволяет с высокой точностью определить изменение линейных деформаций волокна.

К числу преимуществ таких конструкций специалисты относят отсутствие чувствительности к электромагнитному излучению, продолжительный срок эксплуатации, большое количество возможных геометрических форм и высокую точность измерения. Среди недостатков чаще всего называется сложность конструкции оптически-электронных составляющих и достаточно высокую стоимость устройства.

Перемещения

Одной из простейших конструкций, основанных на изменении интенсивности, является детектор перемещения. Принцип его работы состоит в том, что свет, поступающий в передающий кабель приемного и осветительного световодов, отражается зеркальной поверхностью, выступающей в этом типе датчика в качестве модулирующего элемента. Зеркало крепится на оптической планке, позволяющей совершать его перемещения с очень малым (0,005 мм) шагом. После отражения от зеркала, сигнал по приемным волокнам кабеля поступает на фотодиод, откуда сигнал направляется на регистрирующую аппаратуру.

Температуры

Определение температуры при помощи волоконно-оптического датчика основано на вибрациях молекулярной решетки, возникающих при прохождении света через область взаимодействия фотонов и электронов. При воздействии на кабель силы натяжения, давления, температуры наблюдается локальное изменение параметров сигнала обратной связи. Измерительные системы, основанные на использовании регистраторов из оптоволокна, применяют сопоставление интенсивности и спектра исходного и обратного рассеянного излучения, после его прохождения по волокну.

Давления

В промышленности измерение давления при помощи оптоволоконных кабелей проводится по оценке интенсивности излучения. Сенсором выступает элемент для измерения давления, в котором дифракционная решетка, локализующаяся между принимающими и передающими волокнами, присоединена к мембране.

Показатели давления определяют на базе оценки количества излучения, попадающего в выходные волокна после отражения от поверхности мембраны. Этот показатель зависит от действующего давления, поскольку в зависимости от его величины меняется расстояние между концом жгута и поверхностью мембраны. Детектор для определения нагрузки, действующей на поверхность, оборудован устройствами температурной компенсации, в процессе измерения он размещается между двумя контактирующими поверхностями.

Угла наклона

Детекторы, обеспечивающие измерение угла наклона в зависимости от положения объекта оснащены системой самокалибровки и устройствами компенсации влияния температуры на результат. Такие конструкции могут использоваться для непрерывного определения угла наклона строительных сооружений и промышленных объектов. Полученные сигналы от детекторов углов наклона передаются на универсальный регистрирующий оптоволоконный модуль.

Среди достоинств конструкций этого типа специалисты называют наличие прочного корпуса из металла, позволяющего выполнять наружный монтаж устройства, быстродействие, высокую точность передаваемой информации, защищенность от действия помех, пожаро- и взрывобезопасность.

Ускорения и вибрации

Волоконно-оптические датчики для определения вибраций, передаваемых узлами агрегатов или строительными конструкциями, нашел широкое применение при выполнении стендовых и лабораторных исследований. Эта разновидность метрологических конструкций представляет собой сенсорный элемент, установленный в металлическом корпусе и соединённый с трансивером оптико-электронного типа при помощи кабеля, на конце которого располагается угловой соединитель.

Среди преимуществ этого устройства специалисты называют продолжительный срок службы, возможность измерения с высокой точностью, даже в условиях повышенных температур, наличие возможности удаленного измерения параметров объекта

Акустический

Акустические устройства распределенного типа за счет отправления сигнала в кабель и последующего отслеживания отражений, рассеиваемых от него по длине волокна, позволяют измерять параметры акустического поля на длине до 50 км. После оценки времени между отправлением импульса и получением рассеянного отражения и анализа параметров получаемой ответной информации можно оценить величину акустического сигнала на всей длине протяженности кабеля.

Применение в экстремальных условиях

Условия внешней или контролируемой среды, в которых один или несколько действующих параметров, например агрессивность, концентрация, радиационная доза имеют предельно возможные значения в течение продолжительного периода времени, называются экстремальными.

Именно в таких условиях чаще всего работают первичные преобразователи выходных величин, получаемых при управлении такими технологическими процессами, как хранение отходов радиоактивного топлива, диагностика и мониторинг инженерных сооружений, имеющих сложную конструкцию, системы добычи, транспортировки и переработки газа, нефти.

Классические тензорезисторы и звенья не могут работать в подобных условиях, учитывая их чувствительность к излучениям электромагнитных волн в диапазоне измерения, ограничения работы в узком температурном диапазоне, невозможность использования в условиях повышенного радиационного фона и т.д.

Радиация

Отсутствие электроснабжения в месте локализации датчика не является помехой для его обеспечения удаленного мониторинга состояния атомных станций в случае повышенного радиационного фона или при возникновении нештатных ситуаций. Используемые в них сенсоры являются стойкими к действию радиации, а электронно-оптические преобразователи могут располагаться от них на расстоянии до 500 км от источника загрязнения.

Работоспособность датчиков в таких условиях позволяет обеспечить контроль над АЭС при возникновении форс мажорных обстоятельств и обеспечить принятие правильных решений по предотвращению расширения области локализации радиации.

Температура

Проблема обеспечения и контроля герметичности емкостей, содержащих жидкий водород, имеющий высокую текучесть и температуру на уровне –253 °С, обусловлена хрупкостью значительного количества материалов в таких условиях и снижением чувствительности датчиков палладиевого типа.

Чувствительные элементы современных детекторов из оптоволокна обладают хорошими показателями холодостойкости (до –270 °С) и высокой теплостойкостью (до +2300 °С), что позволяет обеспечить контроль технического состояния объектов, работающих в области как сверхнизких, так и сверхвысоких температур.

Последнее качество особенно важно при обеспечении измерения сухости перегретого пара в генераторах газа и давления в соплах реактивных двигателей, имеющих температуру до +600 °С, поскольку наиболее подходящие для этих измерений пьезоэлектрические детекторы не могут обеспечить нормальную работу при температуре выше +300 °С.

Электромагнитные помехи

Измерения колебаний физических величин представляет проблему, в случае работы электронного датчика в условиях электромагнитных помех. Среди наиболее часто встречающихся препятствий для нормальной работы устройств, специалисты называют измерение токов и напряжений, имеющих большие величины, наводки на кабели для передачи электричества коаксиального типа, чувствительность аппаратуры к грозовым разрядам, выполнение контроля пульса пациента на специальной медицинской установке.

Чувствительные элементы детекторов волоконно-оптического типа относятся к классу изоляторов и характеризуются отсутствием чувствительности к наводкам и электромагнитным помехам. Эти свойства позволяют с высокой степенью достоверности (класс точности 02s) определять значения токов, величиной до 200 кА и напряжений, величина которых достигает 800 кВ.

Агрессивные средства

Трудностью для детекторов электрического типа является и измерение величин агрессивных химических веществ, продолжительные измерения деформации сооружений и объектов, находящихся под действием динамической нагрузки. Некоторые сложности вызывает и измерения, в которых имеется множество точек контроля, поскольку в этой ситуации наблюдается увеличение объема электрических кабелей до неприемлемых величин.

Чувствительные элементы датчиков из оптоволокна за счет наличия большого количества сенсоров могут выполнять одновременно функции по замеру различных физических величин, например температуры и деформации и т.д. Кабели, имеющие большое количество оптических волокон, способны выполнять измерения температурных полей при помощи тепловизоров и пирометров, а дистанционные замеры при помощи видеокамер скважинного типа.

Метрологическая калибровка

Одной из существенных проблем электромагнитных датчиков, вмонтированных внутрь объектов, например опорные конструкции или стены высоток, бетонные сооружения мостов и гидротехнических плотин является сложность выполнения поверки их показаний и калибровки устройств. Волоконно-оптические детекторы, учитывая их мультимодальность, отличаются встроенной функцией самоконтроля точности метрологических показателей, за которым следует подстройка под заданные параметры без использования эталонов для поверки и остановки технологических процессов.

Сферы применения

Развитие технологии производства волоконно-оптических детекторов позволило не только снизить стоимость этих устройств, но и решить ряд проблем, связанных с невозможностью использования обычных средств тензометрии для определения изменения физических величин в нетипичных условиях. Современные конструкции оптоволоконных детекторов применяются:

• в системах безопасности и оповещения;
• для контроля работы плавильных печей;
• для обнаружения утечек на гидротехнических сооружениях;
• контроль значений температуры во время различных технологических процессов;
• в системах оповещения о пожарной тревоге;
• с целью повышения эффективности использования газовых и нефтяных скважин;
• для контроля герметичности емкостей для хранения сжиженного природного газа в терминалах и на судах;
• при обнаружении протекания в трубопроводах и контроля уровня жидкости.

В дальнейшем специалисты прогнозируют развитие технологии таким образом, что закладываемые при строительстве новых сооружений оптико-волоконные системы смогут обеспечивать контроль и поддержание в необходимом диапазоне всех эксплуатационных параметров каждого объекта. Подобный подход может решить проблему моментального оповещения о происшествии и координации вызова экстренных служб.

Нефтедобыча

Использование волоконно-оптических детекторов позволяет повысить средний дебит каждой скважины, обеспечить увеличение продолжительности эксплуатации дорогостоящего насосного оборудования, достигаемого за счет внедрения систем мониторинга и автоматизации процесса. Получаемая с датчиков информация позволяет осуществлять управление процессом в режиме реального времени, своевременно корректировать параметры процесса.

Перспектива развития отрасли состоит в замене активных детекторов состояния объектов на системы пассивного контроля, что в свою очередь приведет к увеличению коэффициента извлекаемости ископаемых видов топлива и позволит снизить удельные затраты энергии на получение конечного объема продукта.

Транспортировка газа

В сфере газотранспортной системы измерение показателей температуры, давления, коррозии и деформации позволяют своевременно проводить упреждающее обслуживание газопроводов для обеспечения надежности ее работы. При этом типе оптоволоконной деформации используется кабель с дифракционными решетками, позволяющие измерять действующие нагрузки в широком диапазоне значений.

Особенности практического использования детекторов в сфере газодобычи показал наличие круглосуточного оперативного доступа для проверки технического состояния отдельных линий магистрали, что в свою очередь позволило снизить количество аварий на единицу длины трубопровода почти в 2,5 раза.

Хранение отработанного ядерного топлива

Остаточная опасность отработанных частиц ядерного топлива предъявляет особые требования к утилизации остатков продуктов распада. К полигону для хранения токсических соединений предъявляются достаточно строгие требования, среди которых необходимость обеспечения устойчивости к действию геохимических и механических факторов, обеспечение эффективности хранения с низкими эксплуатационными расходами в течение продолжительного периода времени, надежность и точность функционирования оборудования.

Значительно упростить процесс организации хранения этого вида отходов может использование чувствительных оптоволоконных элементов для определения температуры, деформации, смещения.

Авионика и автоэлектроника

Устойчивость к электромагнитным помехам, небольшие габариты, способность сохранять работоспособность в условиях повышенных и пониженных температур у этих детекторов оказались востребованы в области автоэлектроники и авионики. Чаще всего в этих сферах применяются датчики углового и линейного положений, температуры и акселерометры. В области авиации эти устройства нашли применение в используемых там гироскопах, работающих на принципе интерферометра кольцевого типа и в системе навигации летательных аппаратов.

Медицина и биотехнологии

В области медицины и клеточных технологий, эти датчики нашли применение благодаря высокой разрешающей способности, небольшому диаметру и пластичности используемого оптического волокна, биологической и химической стойкости устройств.

Подробнее о применении в ядерной энергетике

В области практического применения ядерной энергетики детекторы этого типа ценят за возможность дистанционного определения ключевых показателей работы станции на безопасном для оператора расстоянии. Источник сигнала может находиться в десятках и сотнях километров от воспринимающего отклик устройства трансивера. Использование оптоволоконного кабеля позволяет избежать применения импульсных трубок, что в свою очередь делает ненужным использование металлоемкая арматура, входящая в состав труб, минимизируются неточности измерений.

Отдельное поступление сигналов обеспечивается за счет того, что каждый детектор имеет свою максимальную длину отражаемой волны. Кроме этого в конструкциях имеющих большое количество установленных в системе датчиков, сигналы от сенсорного элемента поступают с определенным временным интервалом.

Оптические датчики положения — Элементы автоматики — Каталог статей

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.

Волоконно-оптические датчики: принцип работы, виды, эксплуатация

Принцип работы

В основе работы датчиков такого типа лежит оптическое волокно. Оно представляет собой сердцевину в полимерной оболочке, по которой проходит световой поток. Сердцевина изготавливается из стекла или пластика, который снабжается специальными добавками для улучшения коэффициента преломления световых волн.

Волоконно-оптические датчики используют оптоволокно в качестве линии передачи сигнала или чувствительного элемента. Наибольшую востребованность приобрели датчики с оптическим преобразователем. Такая система состоит из чувствительного оптического элемента, приемника и излучателя. Преобразователь помещается между торцевыми частями принимающего и передающего волокна, а роль излучателя может выполнять светодиод. В роли детектора света выступает p-i-n-фотодиод.

Датчики с оптическим зондом могут использовать одномодовые или многомодовые оптоволоконные кабели, а источником света в них становятся светодиод или лазерный излучатель. Такие датчики чаще всего применяются для измерений бесконтактного типа и отличаются наиболее высокой точностью.

Виды и характеристики

Общий принцип работы всех категорий таких устройств: световое излучение перемещается по оптоволокну, при этом его параметры меняются в брэгговских решетках. На основании полученных изменений система детектирования делает выводы об изменении рабочих показателей.

Оптоволоконные датчики могут работать по одному из двух принципов:

1. Точечные – в качестве базового элемента в них используются селектирующие зеркала. Световое излучение исходит от широкополосного источника и отражается в виде узкой полосы. Оставшаяся часть светового потока передается по оптоволокну. Этот вариант передачи сигнала позволяет одновременно использовать несколько контроллеров в автоматизированной линии и обеспечивает наиболее точную передачу сигнала. Датчики такого типа могут использоваться для контроля давления, температуры, вибрации и других показателей.
2. Распределенные – датчики этого типа применяются для контроля уровня температуры. Опросное устройство провоцирует импульс лазера, и он рассеивается при передаче через оптоволокно. В результате можно определить, какова температура в каждой из точек оптоволоконного канала.

По аналогичному принципу могут работать акустические датчики. В этом случае анализатор фиксирует колебания излучения, передаваемого по оптоволоконному каналу. Это дает возможность зафиксировать звук и определить его источник. Датчики такого типа могут применяться, например, в системах контроля доступа – они дают возможность выявить несанкционированное проникновение.

Если датчик использует оптоволокно для трансляции сигнала на расстоянии, то оно должно быть многомодовым. Одномодовое оптоволокно применяется для устройств, в которых оно выполняет функции сенсора.

Где используются волоконно-оптические датчики

Наиболее широкое распространение получили оптоволоконные датчики, работающие с использованием брэгговских решеток. Они могут использоваться даже в агрессивных средах, где приборы постоянно подвергаются агрессивному внешнему воздействию.

Можно перечислить целый ряд отраслей, в которых применяются оптоволоконные датчики:

• горнодобывающая промышленность – такие устройства используются в пожарных извещателях для мониторинга состояния шахтных стволов и конвейерных лент;
• нефтегазовая сфера отрасли – приборы применяются при термомониторинге скважин и трубопроводных линий, дают возможность мгновенно отслеживать даже небольшие изменения температуры;
• строительство – датчики широко востребованы в системе «умных домов», они позволяют отслеживать различные показатели для автоматического реагирования систем жизнеобеспечения. Также они применяются для постоянного мониторинга мостов, теплотрасс, инженерных систем;
• авиационно-космическая отрасль – новые технологии позволили создать высокоточные датчики, фиксирующие незначительные деформации корпусов, а также отклонения от температурного уровня;
• электроэнергетика – датчики могут использоваться для мониторинга силовых линий.

Оптические датчики — это… Что такое Оптические датчики?

Определение

Оптические датчики — небольшие по размерам электронные устройства, способные под воздействием электромагнитного излучения в видимом, инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах подавать единичный или совокупность сигналов на вход регистрирующей или управляющей системы. Оптические датчики реагируют на непрозрачные и полупрозрачные предметы, водяной пар, дым, аэрозоли.

Оптические датчики являются разновидностью бесконтактных датчиков, так как механический контакт между чувствительной областью датчика (сенсором) и воздействующим объектом отсутствует. Данное свойство оптических датчиков обуславливает их широкое применение в автоматических системах управления. Дальность действия оптических датчиков намного больше, чем у других типов бесконтактных датчиков.

Оптические датчики называют ещё оптическими бесконтактными выключателями, фотодатчиками, фотоэлектрическими датчиками.

Строение оптических датчиков

излучатель оптического датчика

Излучатель датчика состоит из:

• Корпус
• Излучатель
• Подстроечный элемент
• Генератор
• Индикатор

приёмник оптического датчика

Приёмник датчика состоит из:

• Корпус
• Фотодиод
• Подстроечный элемент
• Электронный ключ
• Триггер
• Демодулятор
• Индикатор

Типы устройства и принцип действия оптических датчиков

По типу устройства оптические датчики делятся на моноблочные и двухблочные. В моноблочных излучатель и приёмник находятся в одном корпусе. У двухблочных датчиков источник излучения и приёмник оптического сигнала расположены в отдельных корпусах.

По принципу работы выделяют три группы оптических датчиков:

тип T — датчики барьерного типа (приём луча от отдельно стоящего излучателя)
тип R — датчики рефлекторного типа (приём луча, отражённого катафотом)
тип D — датчики диффузионного типа (приём луча, рассеянно отражённого объектом)

У датчиков барьерного типа излучатель и приёмник находятся в отдельных корпусах, которые устанавливаются друг напротив друга на одной оси. Дальность разнесения корпусов может достигать 100 метров. Предмет, попавший в активную зону оптического датчика, прерывает прохождение луча. Изменение фиксируется приёмником, появившийся сигнал после обработки подаётся на управляемое устройство.

Датчики рефлекторного типа содержат в одном корпусе и передатчик оптического сигнала, и его приёмник . Для отражения луча используется рефлектор (катафот). Датчики такого типа активно используются на конвейере для подсчёта количества продукции. Для обнаружения объектов с зеркальной, отражающей металлической поверхностью в датчиках рефлекторного типа используют поляризационный фильтр. Дальность действия датчиков рефлекторного типа может достигать 8 метров.

В датчиках диффузионного отражения источник оптического сигнала и его приёмник находятся в одном корпусе. Приёмник учитывает интенсивность луча, отражённого контролируемым объектом. Для точности срабатывания в датчиках данного типа может включаться функция подавления фона. Дальность действия зависит от отражательных свойств объекта, может быть определена с помощью поправочного коэффициента, и при использовании стандартной мишени может достигать 2 метров.

Оптические датчики имеют индикатор рабочего состояния и, как правило, регулятор чувствительности, который даёт возможность настроить срабатывание на объект, находящийся на неблагоприятном фоне.

Источником излучения в современных оптических датчиках являются светодиоды.

Схема подключения оптических датчиков

На выходе оптического датчика стоит транзистор PNP- или NPN-типа с открытым коллектором. Нагрузка подключается между выходом и, в зависимости от типа транзистора, общим минусовым или плюсовым проводом. Если в исходном состоянии нагрузка подключена, то выполняется функция размыкающего контакта и наоборот.

Сфера применения

Оптические датчики как составная часть автоматизированных систем управления широко применяются для определения наличия и количества предметов, присутствия на их поверхности наклеек, надписей, этикеток или меток, позиционирования и сортировки предметов. С помощью оптических датчиков можно контролировать расстояние, габариты, уровень, цвет и степень прозрачности. Их устанавливают в системы автоматического управления освещением, приборы дистанционного управления, используют в охранных системах.

См. также

Примечания

Литература

• Виглеб Г. Датчики. Устройство и применение. Москва. Издательство «Мир», 1989
• Катыс Г. П. Библиотека по автоматике, вып. 6. Оптические датчики температуры. «Госэнергоиздат», 1959
• Окоси Т. Волоконно-оптические датчики, 1990

Ссылки

Выбор, применение и подключение оптоволоконных датчиков

Знания о наличии деталей в машинах, работе осветительной арматуры, наличии деталей на конвейерах автоматических линий – один из важнейших компонентов промышленной автоматизации. Последовательность ошибок при сборке деталей и управлении процессами часто необходимо для выявления причины отказа. Во многих случаях ошибка происходит из-за отсутствия детали, необходимой для сборки, или ее плохого качества. Для избегания этого устанавливается датчик, который выполняет функцию проверки наличия необходимых деталей.

Существует огромное количество различных типов датчиков – индуктивные, емкостные, магнитные, фотоэлектрические. Каждый из них имеет свои сильные и слабые стороны в зависимости от области применения. Тем не менее, фотоэлектрические датчики имеют наиболее широкое предложение различных технологий  и типов, а также самый широкий спектр применения.

Фотоэлектрические датчики бывают с различными типами светового излучения (инфракрасного, видимого красного, класс лазера 1 и 2), чувствительных технологий (диффузных, подавление фона, светоотражающих, однолучевой) и с различными конфигурациями корпуса (фото глаз (photo eye) или волоконно-оптические). В данной статье рассматриваются определение и применение волоконно-оптических датчиков (или как их еще называют оптоволоконные датчики), которые предлагают расширенные возможности и параметры конфигурации, и прекрасно подходят для узких мест, которые слишком малы для датчика фото глаз (photo eye).

Оптоволоконная технология

Оптоволоконные датчики включают в себя два устройства, которые обычно указываются отдельно: усилитель, который часто называют электронным или  волоконно-фотоэлектрическим усилителем; и оптоволоконный кабель, который включает в себя оптическую головку и волоконно-оптический кабель, пропускающий свет от усилителя.

Принцип работы всех фотоэлектрических датчиков довольно прост. Каждый прибор имеет излучатель световых волн и приемник, который обнаруживает этот сигнал. При этом существует множество технологий для обнаружения и измерения световых волн, поступающих на приемник. Например, датчики подавления фона отслеживают угол, под которым возвращается световая волна, в то время как стандартные фотоизмерители отслеживают количество света, возвращаемого к датчику. Другие разновидности фотоизмерительных устройств контролируют время возврата световой волны, тем самым обеспечивая измерение расстояния.

Пара источник-приемник может устанавливаться как в одной оптической головке (при использовании диффузных и отражательных единиц), так и в двух оптических головках (использование однолучевых единиц). Волоконно-оптические датчики помещают в один корпус всю электронику с оптическими головками для излучателя и приемника световых волн, в котором приемник отделен от подключенной к корпусу электроники оптоволоконным кабелем. Излучаемые и получаемые волны проходят через этот кабель так же, как и при высокоскоростной передачи данных в волоконно-оптических сетях.

Одним из преимуществ такого разделения является то, что головка измерителя должна устанавливаться на измеряемом объекте. Интегрированный волоконно-оптический кабель прокладывается и подключается к усилителю, который может быть установлен в безопасном месте (как правило, шкаф управления), защищая его от часто жесткой производственной среды.

Разнообразие вариантов, доступных для обоих усилителей и волоконно-оптических кабелей просто огромен. Усилители варьируются от примитивных до сложных, а машиностроители продолжают требовать больше функций, в том числе логических и коммуникационных возможностей.

Усилители для оптоволоконных датчиков

Волоконно-оптические усилители варьируются от имеющих базовую комплектацию электронных компонентов и функциональности, до  устройств типа «подключи и работай»,  для моделей с полностью настраиваемой электроникой.  У некоторых даже есть электронные блоки, которые могут обрабатывать до 15 входов волокон в конфигурации коллекторного типа. Индикация выхода крайне желательна, поскольку он показывает, работает ли датчик корректно, но другие основные функции (таблица ниже) также должны быть указаны:

Формат вывода и подключения к усилителям имеют важное значение, поскольку они определяют интерфейс к контроллеру, так как установка и сброс настроек является неотъемлемой частью конфигурации усилителя.

Типы выходов могут быть либо нормально открытыми (NO), либо нормально закрытыми (NC), а подключение может осуществляться по типу sinking, sourcing или push-pull. Параметры электрического соединения предварительно монтируются, как правило, с кабелем длиной 2 метра или quick disconnect со стандартным многоконтактным разъемом  M8 или M12. Установки переключателей программируются с помощью потенциометра или в цифровом виде, с помощью кнопок.

Помимо основных, расширенные возможности усилителей обеспечивают существенную гибкость с такими функциями как: импульсные выходы, задержки включения / отключения, а также возможность исключить прерывистые сигналы. Эти передовые элементы современной электроники дают машиностроителям возможность детализировать и корректировать параметры усилителя в соответствии с требованиями установки.

Задержки включения / отключения часто применяют для замедления реакции системы управления на изменения регистрируемых параметров. В случае прерывистых сигналов, некоторые приложения возвращают датчикам краткосрочные паразитные сигналы, которые не согласуются с общими условиями эксплуатации. Возможность устранить эти сигналы на датчике освобождает контроллер от этой задачи.

Большинство моделей снабжены светодиодами выходного состояния, в то время как некоторые предлагают дисплеи, на которых представлены сведения о силе сигнала и состояния выхода. Более продвинутые блоки имеют многострочные OLED дисплеи с настраиваемыми функциями диагностики и возможностью программирования.

Фильтрация сигнала часто требует увеличения частоты дискретизации, так как это обеспечивает более устойчивое измерение при изменяющихся условиях окружающей среды. Это усиливает сигнал, но заставляет блок работать на более низких частотах коммутации. Импульсные выходы позволяют растягивать входной сигнал, что может быть полезно в случае слишком большой частоты для входа программируемого логического контроллера ПЛК. Задержки включения/отключения позволяют потребителям устанавливать необходимые времена задержки выходных и входных сигналов.

Дополнительные блоки обеспечивают больше возможностей программирования, например, настройка чувствительности. С помощью данных опций пользователи могут подгонять чувствительность измерительного элемента для работы со сложными материалами, такими как стекло. Данная функция обучения устраняет или уменьшает необходимость в программировании контроллера для выполнения данных функций. Они также могут запрограммировать выход для включения/отключения между двух точек переключения. Например, для позиционирования деталей, переключатель включается в одном положении и отключается в другом, отслеживая при этом положение детали в пространстве.

Видимость света оптоволоконного кабеля

Волоконно-оптические кабели не проводят электрический ток — они пропускают свет. Они изготавливаются с различными конфигурациями и из различного материала, а также имеют различные типы чувствительной головки. В таблице ниже приведены некоторые из основных параметров оптоволоконных кабелей:

Диффузные волоконно-оптические кабели состоят  из двух шпон – одна для соединения с усилителем, а вторая с чувствительной головкой. При чем с чувствительной головкой соединяют два кабеля – тот который подключается к источнику света, и тот который подключается к измерительному элементу. Однолучевые волоконно-оптические кабели имеют два отдельных идентичных кабеля, которые подключаются к усилителю и каждый имеет свою оптическую головку. Один кабель передает свет – другой его принимает. Частая ошибка при работе с однолучевыми кабелями – это заказ только одного кабеля из двух. Это связано с тем, что некоторые поставщики могут поставлять только одну часть системы по номеру детали, поэтому при выборе однолучевых кабелей будьте внимательны.

Волоконные материалы, как правило, состоят из пластика или стекла. Пластиковые блоки тоньше, дешевле, обеспечивают большие радиусы изгиба. Стеклянные блоки более прочные и имеют более высокие рабочие температуры. Пластиковые волокна можно отрезать до нужной длины с помощью специального резака, в то время как стеклянные обрезаются только раз – при изготовлении и поставляются нужной длины. Оболочка волоконного материала может варьироваться от экструдированного пластика до оплетки из нержавеющей стали, для работы в самых неблагоприятных условиях.

Выбор оптической головки – самый важный этап в выборе оптоволоконного датчика.  Это связано с тем, что именно чувствительность головки влияет на обнаружение небольших неподвижных или подвижных частей. Выбор головки зависит от того, под каким углом излучатель и приемник расположены к измеряемому объекту, а также от дисперсии. Головки могут иметь округлые пучки волокна для создания кругового луча или протяженные, для создания горизонтальных проекций.

Круглые пучки в диффузионной головке могут быть строго разветвлены со всеми волокнами источника на одной половине, и с волокнами  приемника на другой половине. Такая конструкция встречается часто, но она может приводить к запаздыванию считывания информации с части, движущейся перпендикулярно к бифуркационной линии. Существует вариант с равномерным распределением волокон источника и приемника сигнала для получения более равномерных лучей. Равномерное распределение позволяет выравнивать воздействия при отправке и получении световых волн, что обеспечивает обнаружение независимо от направления движения.

На расстояние срабатывания волоконной оптики будет оказывать влияние усилитель, тип оптической головки, длина волокна кабеля. Исходя из этих трех параметров, влияющих на работу датчика, точную оценку точности и диапазона срабатывания дать трудно, но производители, как правило, приводят эти данные. Однолучевой датчик имеет больший диапазон, чем диффузный. Чем длиннее волокна кабеля, тем короче диапазон, а также стоит отметить, усовершенствованные усилители обычно имеют более сильные излучающие сигналы и более длинные диапазоны.

Подключение волоконно-оптических датчиков

Использование распределенного ввода / вывода и распределенных интеллектуальных систем растет во всей промышленной автоматизации, и волоконно-оптические датчики не являются исключением. Подключение нескольких волоконно-оптических кабелей датчиков к одному электронному коллектору имеет свои преимущества.

Волоконно-оптические усилители, как правило, одноканальные автономные устройства. С тонкими корпусами и креплением на DIN-рейку, они легко могут быть вмонтированы в панели управления. Один из недостатков может касаться маршрутизации электрических соединений для каждого отдельного усилителя.

Другой вариант заключается в использовании волоконно-оптический коллектора, который группирует множественные каналы волокна в одном центре управления:

Эти волоконно-оптические коллекторы обычно оснащены дисплеем OLED с меню, чтобы позволить программирование каждого канала волокна. Каждый оптоволоконный канал может быть сконфигурирован отдельно, например, установка на свет или затемнение, или гистерезис переключения. Этот централизованный контроль также позволяет группировку выходов через И / ИЛИ логику, которая может сократить и упростить выходной сигнал в ПЛК.

Применения и основные вопросы

Волоконная оптика работает довольно хорошо и обычно используется в системах со значительными электрическими шумами. Волокно кабеля не восприимчиво к электрическому шуму, а усилитель (восприимчив к шумам) может устанавливаться вдали от источника шума (например, в шкафу управления).

Другой, весьма распространённой область применения, являются небольшие сборочные линии. Операции на этих линиях, как правило, полностью автоматизированные и требуют наличия датчиков обнаружения детали на конвейере или в сборочном механизме, чтобы подтвердить сборочную операцию.

Оптоволоконные решения могут быть различными – размеры оптических головок, иметь различную ориентацию и дисперсию для обеспечения минимальных и максимально точных  фокусов света для каждого приложения независимо от размера корпуса. С помощью логики на плате управления и использовании двухканального датчика один канал может использоваться  для определения наличия детали в месте сборки, а второй канал может использоваться для подтверждения окончания операции сборки.

Общей проблемой всех видов оптоволоконных систем является чрезмерное сгибание волокон. Кабели и пучки отдельных волокон довольно податливы, чем позволяют монтажнику легко согнуть их больше, чем это допускает максимальный радиус изгиба. Это может привести к непоправимой пластической деформации волокон, что значительно снизит пропускание световых волн, или вовсе приведет к разрыву волокна и невозможности пропускать сигнал. Максимальный радиус изгиба варьируется в зависимости от типа волоконного материала, размеров, дисперсии волокон в пучке, и он должен выполнятся при любых условиях.

Вне зависимости от применения, потребители должны выбрать подходящую технологию датчиков. Волоконно-оптические датчики, усилители и волоконно-оптические головки должны быть тщательно отобраны для приложения, чтобы обеспечить надежную производительность измерения.

Конспект Оптические датчики положения

Оптические датчики положения

Оптический датчик положения представляет собой электронное устройство, реагирующее на изменение принимаемого светового потока. Оптические датчики положения используются для определения наличия (отсутствия) объекта в заданном пространстве, поскольку наличие (отсутствие) объекта приводит к изменению параметров светового потока, принимаемого датчиком. Для повышения эффективности работы оптических датчиков положения и улучшения их характеристик производится модуляция и пространственная селекция светового излучения.

Эти меры позволяют устранять влияние посторонних световых засветок и помехи от других оптических датчиков.

Принцип работы оптических датчиков положения

Оптические датчики положения состоят из 2-х функционально законченных узлов — источника оптического излучения и приемника этого излучения. Источник оптического излучения (передатчик) и приемник могут быть в одном корпусе или в разных корпусах.

Рис.109. Оптический датчик

Источник: http://www.straus-com.ru/fstore/vb1.jpg

Передатчик

Генератор вырабатывает последовательность электрических импульсов на излучатель оптического датчика положения

Излучатель — светодиод, создающий излучение оптического диапазона.

Индикатор показывает наличие напряжения питания на передатчике оптического датчика положения.

Оптическая система формирует диаграмму направленности излучения и при необходимости его поляризацию.

Компаунд обеспечивает необходимую степень защиты от проникновения твердых частиц и воды. Корпус обеспечивает монтаж выключателя, защищает от механических воздействий. Выполняется из латуни или полиамида, комплектуется метизными изделиями.

Приемник излучения

Оптическая система формирует диаграмму направленности приемника излучения и при необходимости производит поляризационную селекцию.

Фотоприемник воспринимает оптическое излучение и преобразует его в электрический сигнал.

Усилитель усиливает входной сигнал до необходимого значения.

Пороговый элемент обеспечивает необходимую крутизну фронта выходного сигнала и величину гистерезиса.

Электронный ключ обеспечивает коммутацию выходного тока датчика, определяет схему подключения нагрузки, имеет защиту от перегрузки и короткого замыкания.

Светодиодный цветной индикатор показывает состояние датчика, позволяет определить функциональный резерв по выбранному объекту, обеспечивает контроль работоспособности, оперативность настройки.

Регулятор чувствительности позволяет производить настройку датчика по фактической контрастности объекта на фоне окружающих предметов.

Функциональный резерв определяется как отношение светового потока, полученного приемником, к минимальному световому потоку, вызывающему срабатывание выключателя. Функциональный резерв позволяет компенсировать ослабление сигнала в результате загрязнения оптики и наличия аэрозольных компонентов в окружающем пространстве.

Цветной светодиодный индикатор работает следующим образом:

при отсутствии сигнала на входе приемника индикатор не светится

при появлении сигнала с уровнем, при котором происходит срабатывание выключателя, индикатор светится зеленым цветом

при дальнейшем увеличении уровня сигнала зеленый цвет плавно изменяется через желтый — оранжевый до красного

Контрастность объекта определяется его собственным коэффициентом отражения и величиной отраженного света от окружающего фона.

Принцип работы оптических датчиков положения на прямом луче (Тип T)

Оптические датчики, работающие на прямом луче, состоят из приемника и передатчика, выполненных в отдельных корпусах. При эксплуатации они располагаются соосно дуг против друга. Поток излучения от излучателя передатчика направлен на приемник. Срабатывание происходит при прерывании луча объектом. Датчики использующие принцип прерывания луча, отличаются большой дальностью действия — до нескольких десятков метров и большой помехозащищенностью от воздействия посторонних факторов (пыль, капли воды и других жидкостей)

Основными недостатками таких датчиков является наличие двух отдельных изделий, что не всегда удобно при их монтаже и прокладке проводов питания к ним.

Необходимо иметь в виду, что:

посторонние предметы с высоким коэффициентом отражения, подобные рефлектору, находящиеся в области перекрытия диаграмм направленностей приемника и передатчика, могут вызвать ложное срабатывание;

прозрачные и полупрозрачные объекты недостаточно ослабят луч до порога срабатывания.

Для уменьшения или полного устранения вышеперечисленных эффектов оптические выключатели снабжены регуляторами чувствительности.

Диаметр прямого луча определяет минимальный размер регистрируемого объекта.

Принцип работы оптических датчиков положения на отраженном луче (Тип D)

В оптических датчиках, использующих эффект диффузного и зеркального отражения потока излучения от объекта, приемник и излучатель выполнены в одном корпусе. Поток излучения от передатчика попадает на поверхность объекта, от которого происходит его отражение в различных направлениях. Распределение отраженного потока определяется оптическими свойствами объекта. Часть потока возвращается обратно в приемник, вызывая его срабатывание.

Преимущество данного вида датчиков заключается в простоте применения, при котором не требуется никаких дополнительных приборов.

При использовании датчиков данного типа необходимо учитывать возможность появления ложных срабатываний в случае появления за контролируемым объектом предметов с гораздо большей отражательной способностью. В этих случаях следует применять диффузные оптические датчики с подавлением фона.

Поскольку различные материалы отражают падающий на них поток излучения по-разному, то для нормирования расстояния срабатывания выбран стандартный объект воздействия — лист белой бумаги с размерами 100×100мм для выключателей с расстоянием срабатывания до 400мм и лист белой бумаги с размерами 200×200мм для выключателей с расстоянием срабатывания более 400мм.

Принцип работы оптических датчиков положения на отраженном от рефлектора луче (Тип R)

Излучение светодиода имеет круговую поляризацию, т.е. представляет собой совокупность множества плоскополяризованных пространственных световых колебаний (волн) с различными плоскостями поляризации.

Если на пути луча установить оптический поляризационный фильтр, то через него пройдут только те волны, плоскость поляризации которых совпадает с плоскостью поляризации фильтра. Таким образом, поляризационный фильтр формирует луч с плоской поляризацией.

При отражении поляризованного луча от различных предметов плоскости поляризации падающего и отраженного луча, как правило, совпадают.

Плоскость поляризации изменяется на 90 град. при отражении от специальных световозвращателей (уголковых отражателей или рефлекторов).

Если на пути поляризованного луча расположить еще один поляризационный фильтр с плоскостью поляризации, развернутой на 90град. по отношению к первому, то луч через него не пройдет. Таким образом, данный фильтр будет для него барьером.

Принцип работы оптических датчиков положения на отраженном от рефлектора луче (Тип R)