ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК: ПРИНЦИП РАБОТЫ, ВИДЫ И ПРИМЕНЕНИЕ

Введение.

В современном мире оптические датчики занимают важное место в различных областях науки и техники, включая промышленную автоматизацию, робототехнику, медицину, телекоммуникации и системы безопасности. Их широкое распространение связано с высокой точностью, быстродействием и бесконтактным принципом измерения, что обеспечивает надежность и долговечность работы в сложных условиях эксплуатации.

Оптический датчик — это устройство, которое преобразует параметры светового излучения (интенсивность, длину волны, поляризацию и др.) в электрический сигнал, пригодный для обработки и анализа. Благодаря использованию различных физических эффектов, таких как фотопроводимость, фотогальванический эффект, эффект Холла и другие, оптические датчики способны измерять широкий спектр физических величин: расстояние, скорость, уровень, наличие объектов и многое другое.

Особое значение оптические датчики приобретают в условиях, где требуется высокая точность и быстрота отклика, а также в средах, неблагоприятных для традиционных контактных датчиков — например, при высоких температурах, вибрациях или агрессивных химических средах.

Рисунок 1. Оптический (или фотодатчик) отражательного типа

Основные элементы датчика:

• Светодиоды - испускают свет в сторону объекта.
• Фотодиод - принимает отражённый от объекта свет.
• Генератор, триггер, усилитель - обрабатывают сигнал и формируют выходной импульс.
• Выходной разъём - для подключения к системе управления.

Принцип работы:

1. Излучение света

Источник света посылает световой луч в направлении объекта или пространства, которое необходимо контролировать.

2. Взаимодействие с объектом

Свет либо отражается от объекта, либо проходит через него, либо блокируется (в зависимости от типа датчика).

3. Приём отражённого или проходящего света

Приёмник улавливает изменённый световой поток.

4. Преобразование в электрический сигнал

Световой сигнал преобразуется в электрический, величина которого зависит от интенсивности или других характеристик света.

5. Обработка сигнала

Электроника усиливает и обрабатывает сигнал, чтобы определить наличие объекта, расстояние до него, уровень освещённости и т.д.

Особенности оптического датчика

1. Бесконтактное измерение и обнаружение.

Оптические датчики работают без физического контакта с объектом, что позволяет измерять параметры или обнаруживать предметы без износа самого датчика и без воздействия на объект.

2. Высокая скорость реакции.

Оптические датчики способны очень быстро фиксировать изменения в освещённости или положении объекта, что делает их идеальными для применения в системах с высокой динамикой, например, в автоматике и робототехнике.

3. Точность и чувствительность.

Благодаря использованию световых сигналов, оптические датчики обеспечивают высокую точность измерений и способны обнаруживать даже небольшие изменения в положении или свойствах объекта.

4. Возможность работы на больших расстояниях.

В зависимости от конструкции и мощности источника света, оптические датчики могут работать на значительных расстояниях — от нескольких миллиметров до нескольких метров и даже больше.

5. Независимость от электромагнитных помех.

В отличие от индуктивных или емкостных датчиков, оптические устройства практически не подвержены влиянию электромагнитных помех, что обеспечивает стабильную работу в сложных условиях.

6. Влияние внешних факторов.

Оптические датчики чувствительны к условиям освещения, пыли, грязи, влаге и другим факторам окружающей среды, которые могут ухудшать качество и точность измерений. Поэтому часто требуется защита или калибровка.

7. Разнообразие типов и принципов работы.

Оптические датчики бывают разных видов — отражательные, прохождения, диффузные, лазерные и т.д., что позволяет подбирать оптимальный тип для конкретных задач.

8. Компактность и простота интеграции.

Малые размеры и простота конструкции позволяют легко встроить оптические датчики в различные устройства и системы автоматизации.

9. Энергопотребление.

Оптические датчики обычно потребляют мало энергии, особенно если используются светодиоды в качестве источника света.

10. Стоимость.

В зависимости от типа и точности, стоимость оптических датчиков может варьироваться от очень бюджетных до достаточно дорогих моделей с высокими техническими характеристиками.

Виды оптических датчиков.

Оптические датчики применяются для решения широкого круга задач. В связи с этим перед покупкой прибора необходимо определиться с условиями работы устройства; функциями, которыми устройство, в котором применяется датчик,  должно обладать.

В зависимости от особенностей работы оптические датчики подразделяются на 3 типа (по ГОСТ IEC 60947-5-2-2012).

Тип D (диффузный). Использует эффект диффузного отражения потока излучения от объекта воздействия при его боковом или осевом приближении. Благодаря этой особенности они способны контролировать территорию на большом расстоянии. При этом барьерные датчики демонстрируют высокую эффективность. В частности, на работоспособность прибора не влияют капли жидкости и пыль.

Тип Т (барьерный). Датчик с разнесённой оптикой, который косвенно действует при боковом приближении контролируемого объекта воздействия по относительной оси между приёмным и излучающим устройствами. Барьерные.

Датчики барьерного типа отличаются нестандартным принципом работы. Для активации прибора необходимо, чтобы приемник и передатчик были установлены друг напротив друга. Только при соблюдении данного условия световой луч будет попадать в прибор. Если между приемником и передатчиком возникает барьер (отсюда и название устройства), то датчик подаст соответствующий сигнал.

Тип R (ретрорефлекторный). Датчик отражательного типа, который косвенно действует при боковом приближении контролируемого объекта воздействия к относительной оси между приёмо-излучающим устройством и рефлектором.

Датчики этого типа активируются при отражении светового луча от рефлектора, после чего тот попадает на приемник. Прибор повторно включается, когда объект покидает контролируемую зону.

Рефлекторные датчики действуют на расстоянии до 10 метров. При этом данное устройство способно контролировать и большую территорию, но тогда снижается эффективность его работы. Объясняется это тем, что по мере увеличения расстояния повышается вероятность смещения направления светового луча из-за вибрации либо пыли.

Рефлекторные датчики, у которых приемник и передатчик размещены в одном корпусе, способны распознавать полупрозрачные объекты. Такие приборы часто используют как один из компонентов конвейера. Датчик регистрирует момент, когда изделие попадает в определенную точку, и сигнализирует о выходе продукции из зоны контроля.

Заключение

Оптические датчики являются важным элементом современных систем измерения и управления, благодаря своей высокой точности, быстродействию и бесконтактному принципу работы. Их способность преобразовывать параметры светового излучения в электрические сигналы открывает широкие возможности для применения в промышленной автоматизации, робототехнике, медицине, телекоммуникациях и многих других областях.

Разнообразие конструкций и физических принципов, лежащих в основе работы оптических датчиков, позволяет эффективно решать задачи измерения расстояния, скорости, наличия объектов и других параметров в самых различных условиях эксплуатации. Современные разработки направлены на повышение чувствительности, компактности и энергоэффективности таких устройств, что способствует расширению их функционала и внедрению в интеллектуальные системы.