Что такое оптический датчик
Оптические датчики
Содержание
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 датчика состоит из:
Приёмник датчика состоит из:
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.
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.
Принцип работы оптического датчика
Задача определения наличия объекта, несмотря на кажущуюся простоту решения, до сих пор остаётся важной и зачастую нетривиальной для многих отраслей промышленности. На малых расстояниях с этим справляются бесконтактные индуктивные и емкостные датчики, а также различные варианты контактных выключателей. Однако нередки случаи, когда задача требует обнаружить объект на больших дистанциях – до нескольких десятков метров. В этом случае на помощь приходит ещё один вид бесконтактных датчиков – оптические датчики.
Оптические датчики, также называемые оптоэлектронными или фотоэлектрическими – совокупное название огромного класса устройств, которые объединены общим принципом работы и основными элементами конструкции. В зависимости от задачи те или иные элементы конструкции, а также габариты датчика могут различаться кардинально – от крохотного цилиндра диаметром не более миллиметра до громоздких и тяжелых устройств, способных работать на дистанциях более ста метров.
В общем случае каждый оптоэлектронный датчик состоит из двух основных компонентов – излучателя и приёмника. В свою очередь, излучатель обычно включает в себя:
излучатель (светодиод, лазер, либо иной вариант)
настроечный элемент (потенциометр/кнопка/винт) 
Приёмник же является более сложным устройством и включает:
электронный элемент переключения
настроечный элемент (потенциометр/кнопка/винт)
индикаторы работы и срабатывания
В отдельных случаях приёмник датчика может также включать в себя таймер, обеспечивающий возможность настройки задержки срабатывания, либо более сложные варианты электроники, например, счётчик, который вызывает переключение выходного сигнала датчика только после последовательного обнаружения определенного количества объектов. Также весьма распространена функция индикации стабильности сигнала, которая позволяет определить нестабильный уровень освещённости приёмника, например, в случае, когда объект находится на границе зоны чувствительности.
Принцип действия оптических датчиков в общем случае сводится к реакции фотодиода приёмника на свет от излучателя, что вызывает при достижении определенной интенсивности освещения срабатывание триггера приёмника и переключение выходного сигнала. В основном применяются светодиодные либо лазерные источники света красного спектра, что обеспечивает устойчивость датчика к помехам. Кроме того, точная настройка электроники датчика на работу с определенной длиной волны света позволяет существенно снизить влияние посторонних засветок на стабильность срабатывания.
По конструкции оптические датчики можно подразделить на одно- и двухкомпонентные. Приёмник и излучатель однокомпонентного датчика размещены в едином корпусе, в то время как для двухкомпонентных датчиков эти элементы разнесены по разным корпусам. Основных типов же датчиков три:
барьерные или однонаправленные – изготавливаются по двухкомпонентной схеме и срабатывают на пересечение объектом луча, который проходит от отдельно стоящего излучателя к приёмнику. Для датчиков такого типа характерна наибольшая среди данного класса устройств дальность действия, которая может достигать более 100 метров, а также высокая надёжность срабатывания в силу простоты принципа действия. Помимо прочего, данные датчики в отдельных случаях способны работать в средах с высоким уровнем загрязнённости.
рефлекторные или отражательные – имеют однокомпонентную схему и работают на отражение луча излучателя от установленного отдельно отражателя. Зачастую подобные датчики применяются в системах конвейеров для подсчёта объектов. Как и барьерные, рефлекторные датчики срабатывают на пересечение луча. В случае, если существует возможность появления в зоне действия датчика объекта, поверхность которого имеет сильную отражающую способность (металлическая, зеркальная), датчики оснащаются поляризационным фильтром, который препятствует срабатыванию датчика на отраженный от объекта свет, поскольку в таком случае направление волны света отличается от отраженного от рефлектора.
диффузные – также изготавливаются по однокомпонентной схеме и предназначены для непосредственного определения наличия объекта посредством приёма рассеянного отраженного от объекта света излучателя. Данные датчики отличаются наименьшей дальностью действия среди всех оптических датчиков, которая составляет обычно не более 2 метров. Кроме того, они чувствительны к отражающей способности поверхности объекта, поэтому их применимость для контроля наличия объектов разного цвета и/или с более или менее зеркальной поверхностью ограничена. Для повышения надёжности датчики оснащаются функцией подавления внешней засветки, а также большинство из них имеют возможность точной подстройки как при помощи потенциометра, так и посредством электронной калибровки по кнопке или внешнему сигналу. Также данная категория датчиков нередко имеет функцию подавления заднего фона, которая позволяет срабатывать только на объекты, находящиеся на определенном расстоянии от датчика, несмотря на возможное наличие объектов в пределах зоны действия датчика, но дальше искомого объекта.
На выходе оптического датчика обычно находится стандартный транзистор PNP/NPN. В отличие от иных датчиков дискретного типа, имеющих стандартное обозначение выхода как НО (нормально открытый) либо НЗ (нормально закрытый) контакт, для оптических датчиков введены специальные обозначения:
Light ON – переключение происходит при наличии попадающего на фотодиод света от излучателя
Dark ON – переключение происходит при прерывании луча, т. е. при отсутствии попадающего на фотодиод света
В зависимости от типа датчика меняется и соответствие его выхода классической классификации НО/НЗ:
Срабатывание на свет (Light ON)
Срабатывание на отсутствие света (Dark ON)
Оптический датчик, лидар — характеристики, принцип работы
Рассмотрим принцип работы оптического датчика, его устройство и основное предназначение. В конце статьи видео-обзор принципа работы лидара (оптического датчика). Рассмотрим принцип работы оптического датчика, его устройство и основное предназначение. В конце статьи видео-обзор принципа работы лидара (оптического датчика).
Оптический датчик или другими словами лидар (Light Detection and Ranging) – специальный фотоэлектрический датчик для измерения дистанции и обнаружения объектов. Основой работы такого датчика являются электромагнитные волны (инфракрасные), благодаря которым он определяет расстояние до объекта.
Что такое оптический датчик
Представить современный автомобиль без пассивной или активной системы безопасности практически невозможно, да и многие страны попросту могут отказаться от подобных машин. Почти каждая система безопасности использует определенные датчики для снятия и сбора определенной информации. Основой для таких систем стал оптический датчик или по-другому — лидар. В зависимости от требований к датчику и его предназначения, внешний вид и устройство внутри могут отличаться, но принцип работы остается без изменений.
Основной задачей считается замер расстояния (дистанции к объекту), хотя в некоторых случаях он так же может замерять и скорость объекта находящегося впереди. В некоторых случаях по функционалу лидар выступает как альтернатива автомобильному радару, за счет чего в характеристиках машины может быть отмечен как лазерный радар для разных активных систем безопасности. По радиусу действия, расстояние достигает 250 метров, а угол разрешения достигает 180 градусов. Таким образом, использовать лидар можно как в пассивных, так и активных системах безопасности, а малые габариты позволяют установить в самых нестандартных местах автомобиля.
Как устроен лидар автомобиля
Устройство лидара (оптического датчика) своеобразно, и по сути напоминает электронную схему, собранную в одном элементе. Среди основных деталей лидара специалисты выделяют:
Каждый из перечисленных элементов выполняет весьма важную роль в механизме лидара. Рассмотрим более подробно, за что отвечает каждая деталь. Основную роль и все начало работы берется с диода, который передает инфракрасное излучение (луч). Интенсивность инфракрасного луча, в случае необходимости изменяется за счет модулятора. В свою очередь в зависимости от типа модуляции, выделяют два типа лидаров: импульсного и непрерывного действия. Все же специалисты говорят, что лидар непрерывного типа отживает свое, тем самым уступая более прогрессивному импульсному оптическому датчику. Чтоб повысить эффективность оптического датчика на основе импульсного метода работы, инженеры одновременно начали использовать несколько импульсов для передачи, тем самым сделав технологию многоимпульсной.
Не менее важным считается оптический элемент, через который проходят импульсы. Миновав оптический элемент, световой импульс поступает на фотодиод, благодаря которому он преобразуется в электрический сигнал для распознавания другими элементами. Следующий в этой цепочке лидара стоит АЦП или аналого-цифровой преобразователь другими словами. Именно благодаря ему, электрический сигнал с фотодиода преобразуется в цифровой сигнал. Последний этап в работе оптического датчика – обработка полученного цифрового сигнала микропроцессором, именно он выдает блоку управления информацию, которую считал лидар.
Как уже говорили, внешний вид оптического датчика может отличаться, как по производителям, так и по моделям одной марки автомобиля. Но основная задача и принцип работы механизма отличаться не будет.
Принцип работы оптического датчика
Разобравшись, какие основные элементы входят и выполняют работы оптического датчика, неплохо рассмотреть его принцип работы и тем самым понять, где основные плюсы и минусы, а так же что может навредить работе механизма.
Несмотря на внешние отличия и структуру строения, принцип работы лидара одинаковый на любом автомобиле и системе безопасности. В момент срабатывания, инфракрасный свет направляется на цель, отраженный свет от цели частично рассеивается (теряется), а частично возвращается к излучателю, тем самым попадая в фотодиод.
Как правило, ток на фотодиоде пропорциональный инфракрасному свету, который воздействует от отраженного объекта. Фотодиод, после распознавания инфракрасного пучка импульсов производит электрический сигнал, передавая его в аналого-цифровой преобразователь. Суть такого элемента, точней целого интегрального набора деталей, создать такой сигнал, который мог бы распознать микропроцессор.
По внешнему виду это небольшая микросхема, так же как и микропроцессор, но без АЦП управляющие блоки не смогут работать. Следующие два шага – передача цифрового сигнала в микропроцессор и в дальнейшем отправка его в основной электронный блок управления. Именно в ЭБУ анализируется полученная информация, распознаются образы объектов впереди автомобиля, а так же другие непредсказуемые ситуации, в которых используется оптический датчик.
Где применяется лидар
Использование оптических датчиков в автомобилях может быть самым разным и вовсе не предсказуемым. Самые разные системы активной и пассивной безопасности используют данные элементы для получения той или иной информации. Например, система мониторинг расстояния к объектам впереди или сзади автомобиля. Так же данный элемент могут использовать для снятия скорости или момента вращения деталей.Если говорить более понятным языком, то это может быть система распознавания и определения пешеходов, адаптивный круиз-контроль, система мониторинга объектов и прочие. Благодаря вертикальному и горизонтальному расширению оптического датчика, элемент может считывать больше информации, а перемещение передатчика инфракрасного излучателя и поворотного зеркала, в разы увеличивает возможности механизма. Можно твердо говорить, что такой механизм вполне отрабатывает поставленную логику и в нужный момент передать информацию в блок управления.
Преимущества и недостатки оптического датчика
Как и в любом механизме, оптический датчик автомобиля имеет свои преимущества и недостатки. Основной плюс это скорость срабатывание, точность обработки полученной информации, а так же огромный спектр возможностей для использования в разных системах безопасности.
Помимо положительных моментов, есть и отрицательные (недостатки) от которых никак нельзя избавиться, даже в наши дни. Как показывает практика использования, оптический датчик очень чувствительный к погодным условиям и рельефному покрытию. Эффективность работы лидара уменьшается с ухудшением погодных условий, в частности на дождь, снег, туман и прочие погодные явления.
Механизм попросту не может получить отображение инфракрасного луча, а так же искажается за счет погодных явлений. Загрязнение датчика так же негативно сказывается на работе системы. Механизм попросту выдает неправдивую информацию или не срабатывает на заявленную производителем дальность.
Стоимость оптического датчика для автомобиля
В современных электромобилях оптические датчики расставлены по всему периметру. Таким образом, производители добавляют и дорабатывают системы безопасности и комфорта. Как пример, лидар для адаптивного круиз-контроля компании Nissan обойдется от $160, для современной системы ночного видения от Mercedes-Benz или Toyota по цене $235 за один такой оптический элемент.
На первый взгляд оптический датчик неприметный и кажется, что от него мало толку, но разобравшись в деталях и его возможностях понимаешь – это сердце большинства систем безопасности и комфорта, которые мониторят ситуацию вокруг автомобиля в режиме реального времени.
Видео-обзор принцип работы лидара:
Принцип работы и проверка оптических датчиков
Современная промышленная автоматика обеспечивает сложные и ответственные индустриальные процессы. Устойчивая работа системы обеспечивается включением высокотехнологичных компонентов, каждый из которых выполняют предупредительную, срабатывающую, блокирующую или иную функцию. Особое место в промышленных системах отдается оптическим датчикам. Самое известное применение фотоэлектрической аппаратуры – регулятор уровня освещенности. Реакция прибора на сумерки – включение осветительной техники.
Название и терминология
PhotoCell Sensor. Фото- или фотоэлектрический датчик – все это названия группы устройств, срабатывающих на свет или изменение его параметров. Вторичной функцией аппаратуры является передача соответствующего сигнала (оповещения) в систему индустриальной поддержки. Индикативные возможности датчиков определяется его устройством и областью применения. Сегодня в практике индустриального оснащения применяется широкий спектр оборудования, оснащенного бесконтактными, рефлекторными, диффузными и другими типами датчиков.
Принцип действия
Основными составляющими электронной аппаратуры, поддерживающей работу по преобразованию световых волн, являются:
Работа датчиков строится на принципе улавливания отраженных волн от различных предметов обстановки. Длина световых волн и их интенсивность как параметры, позволяют определить измеряемые PhotoCell Sensor величины для последующей передачи в контрольный центр.
Оптические датчики выполняют достаточно широкий спектр задач, стоящих перед современными промышленными предприятиями. Кроме контроля уровня освещенности аппаратные средства обеспечивают поддержку бесконтактных изменений, в том числе обнаружения объектов, перемещающихся на высокой скорости. Представители промышленности при заказе датчиков на производство заранее знают условия эксплуатации и необходимый для оснащения тип аппаратуры.
С раздельным приемником и передатчиком
Этот вид аппаратуры считается одним из самых надёжных. Внушительная дальность работы и устойчивость к помехам. В стандартной комплектации датчики устроены так, что приемник и передатчик заключены в одном корпусе. В раздельном виде устройства активные модули могут быть разнесены на несколько десятков метров. Передатчик с автономным питанием, по сути, выполняет одну функцию. Сам же датчик с приемником включается в систему промышленной автоматики. Основной сферой применения контрольно-измерительной аппаратуры с раздельными приемником и передатчиком является охранная деятельность. Известно использование датчиков на производствах с сильно загрязненным воздухом или примесями газов.
Рефлекторный
Основной задачей это группы устройств является обнаружение объектов, находящихся в зоне перекрытия оптического излучения. Активный модуль датчиков состоит из коммутационного элемента релейного типа или полупроводникового диода. В корпусе аппаратуры заключены излучатель и принимающий блок излучения в инфракрасном спектре. Принцип срабатывания следующий: как только в зону покрытия излучателя попадает контролируемый предмет, рефлектор отражает соответствующий сигнал. Для обеспечения стабильной работы устройства предусмотрены защитные модули, предупреждающие засвечивание и переполюсовку при организации сетевого питания.
Диффузный
Основным назначением аппаратуры является конечное выключение цепи. Бесконтактные датчики диффузные обнаруживают объекты различных форм вне зависимости от материала исполнения. Отличительная особенность приборов состоит в возможности установления отдельных элементов технологического оборудования.
Конструктивно датчик включает приёмник и излучатель в одном корпусе. Благодаря эффекту диффузного отражения на работу прибора не оказывает влияния засветка, переполюсовка или необходимость точной фокусировки. Датчики определяют местоположение объекта даже в зоне максимального приближения.
Конструкции
Оптические датчики, как правило, имеют компактный форм-фактор. В зависимости от предназначения и применяемой технологии приборы могут иметь выносные модули. Производители рекомендуют использовать совместимое внешнее оборудование. Основными модулями датчиков остаются излучатель и приемник.
Щелевые
Состоит из пары оппозитно расположенных приемника и излучателя на одной платформе. Корпус датчика имеет U-образный вид. В устройстве реализован принцип барьерного срабатывания. При попадании объекта в область контроля происходит прерывание и фиксация события. Щелевые или вилочные аппараты успешно справляются с пересчетом предметов, перемещающихся на высокой скорости. Конструкция датчиков позволяет экономить свободное пространство за счет прокладки только одного питающего кабеля.
Прямоугольные
Особое расположение основных модулей исключает чувствительность к фоновым излучениям. Высокое качество оптики, используемой в оснащении, обеспечивает точный и быстрый пересчет объектов.
Устройства могут комплектоваться экранами защиты или системой охлаждения. таким образом функциональность устройств может быть расширена до работы с разогретыми объектами. Кроме того, форм-фактор прямоугольных датчиков обеспечивает их устойчивую работу в дорожной инфраструктуре.
В цилиндрическом корпусе
Внешне устройство напоминает свечу зажигания. В цилиндрическом корпусе размещаются приемник и излучатель. Срабатывание датчика происходит каждый раз при попадании контролируемых объектов с последующим преломлением светового потока. Поставляется с аксессуарами, обеспечивающими легкий монтаж на место эксплуатации – крепежными пластинами, зажимным блоком и уголками.
Подключение и виды выходного сигнала
Присоединение датчиков осуществляется к исполнительной автоматике. Это могут быть программаторы, управляющие платы охранных или противопожарных систем. Собственно, схема подключения напрямую зависит от того, каким будет выходной сигнал. Общая классификация включений устройства в цепь, следующая:
Специфические модели
Разработки в области контрольно-измерительной аппаратуры позволяют обеспечивать потребности различных видов производств. Сегодня датчики могут обнаруживать не только сам объект в зоне видимости, но и узнавать тип нанесенной на них метки.
Световая решетка
Излучатель, включенный в конструкцию датчиков, формирует устойчивое инфракрасное поле двумерного массива. При прохождении через рабочую область происходит идентификация не только самого объекта, но и других его параметров: массы, размера, прозрачности и прочих характеристик.
Световой барьер
Фотоэлектрические датчики положения используются для точного подсчета продукции на индустриальных конвейерах. Приемник и излучатель в конструкции разнесены для создания непрерывного луча. Прерывание барьера сигнализирует о том, что через поле прошла единица продукции.
Лазерный
Для решения задач по измерению малых скоростей объектов и величин предметов целесообразно использовать лазерные устройства. Этот тип датчиков отличает технология устройства излучателя, по которой генерируется световой поток. Предназначается для использования внутри помещений.
Оптоволоконный
В этом типе датчиков реализована технология оптоволоконной связи. По нему происходит передача данных, а также она используется в качестве детектирующего элемента. Конструкция устойчива к дефектам электрической сети.
Аналоговый
Вид аппаратного устройства происходит от интерфейса, используемого для передачи сведения о замеченных в поле излучателя объектах. Выходной сигнал представляет собой ток определенной силы, по которой определяются дискретное позиционирование и другие параметры объекта.
Оптический датчик пламени
Устройство применяется для контроля наличия пламени в промышленных горелках. Датчик питается от искрозащищенного блока, который входит в комплект поставки. Используется преимущественно на предприятиях нефтегазовой промышленности.
Как проверить
Контрольно-измерительная аппаратура перед вводом в эксплуатацию должна быть проверена на работоспособность. Сделать это можно при помощи специальной техники, на стенде. Также часто используется эмпирический метод. Для этого прибор включают на месте и наблюдают за его поведением.
Неисправности и уход
Дефекты для этого типа аппаратуры крайне редки. Нарушение работоспособности может происходить по следующим причинам:
Своевременное сервисное обслуживание и замена неисправных компонентов обеспечат долгий срок службы изделий и отсутствие простоев на производстве.
В век наших технологий я отдаю предпочтение с раздельным приемником и передатчиком. Там более надежная конструкция.