3. Применение фотоэлектрических датчиков

Фотоэлектрические датчики получили очень широкое распространение в системах автоматики и имеют хорошую перспективу дальнейшего распространения. Наиболее часто они используются в схемах релейного действия, где выдают дискретный сигнал: «Освещено» или «Затемнено».

Фотореле состоит из осветителя, создающего световой поток, и приемника излучения (фотоэлемента, фоторезистора, фотодиода или фототранзистора). Приемник излучения включен в цепь обмотки электромеханического реле (непосредственно или чаще через усилитель). При попадании светового потока на приемник скачком изменяется фототок и срабатывает реле, осуществляя необходимые переключения в схеме управления каким-либо устройством. Такие фотореле используются в турникетах, пропускающих пассажиров в метро, фиксируют достижение различными механизмами определенных положений, очень широко применяются в автоматических устройствах защиты обслуживающего персонала от производственных травм. Когда рука рабочего случайно пересекает световой барьер, ограждающий опасную зону, подается предупреждающий сигнал или механизм вообще останавливается. С помощью фотодатчиков осуществляется считывание дискретной информации с перфоленты. Информация на такой ленте записана с помощью отверстий, пробиваемых в определенных местах. Наличие отверстия означает цифру 1, а отсутствие отверстия — цифру 0 в двоичном коде. Каждому разряду в двоичной форме счисления соответствует место расположения отверстий на перфоленте. Перфолента прокручивается между осветительной лампой и несколькими фотодатчиками (рис. 5, а), количество которых соответствует числу считываемых разрядов. Для таких целей могут использоваться специальные полупроводниковые приборы, объединяющие в одной конструкции несколько фотодатчиков. Эти фотодатчики располагаются в одну линию друг за другом, например, так называемая линейка фотодиодов. Имеются и фотодиодные матрицы, где фотодатчики расположены, как клетки в таблице.

Рис. 5. Применение фотодиодов

Линейку фотодиодов используют для измерения размеров детали, перемещаемой на конвейере. Деталь перекрывает световой поток (рис. 5, б) и затемняет такое количество фотодиодов, которое соответствует высоте детали.

Измерение длины перемещаемой детали может выполняться и по сигналу одного фотодатчика (рис. 5, в). Деталь, пересекая передней кромкой световой барьер, дает сигнал на подсчет числа импульсов. Когда фотодатчик снова освещается, подсчет импульсов заканчивается. По зафиксированному счетчиком количеству импульсов определяется длина движущегося предмета. Датчик импульсов кинематически связан с приводом конвейера. Поэтому колебания скорости движения детали не влияют на точность измерения ее длины.

Рассмотрим применение фотоэлектрических датчиков для преобразования угла поворота в цифровой код (рис. 6, а, б). Осветитель направляет световой поток через прозрачный диск, на который фотохимическим способом нанесена кодовая шкала с прозрачными и непрозрачными участками. С другой стороны диска расположены фотоприемники, количество которых равно числу разрядов двоичного числа. На рис. 6 показан кодовый диск с шестью разрядами.

Рис. 6. Фотоэлектрический датчик для преобразования угла поворота в цифровой код

Самый старший разряд расположен ближе всего к центру диска. Прозрачный участок означает двоичную цифру «1», непрозрачный — двоичную цифру «0». Если во всех разрядах стоит «0», то это двоичный код числа 0. Если во всех разрядах стоит «1», то это двоичный код десятичного числа 63 (111111₂ = 63₁₀). Свет, проходя через кодовый диск, попадает на фотоприемники. Наличие выходного сигнала с фотоприемника принимается за «1», отсутствие — за «0». Такое устройство называется аналого-цифровым преобразователем или кодовым датчиком.

Рис. 7. Фотоэлектрический датчик крутящего момента

Для измерения крутящего момента применяются фотоэлектрические торзиометры. Перед проволочными тензометрами они имеют то преимущество, что не нуждаются в токосъемном устройстве. Они обеспечивают бесконтактный съем сигнала с вращающегося вала. Принцип действия фотоэлектрического торзиометра показан на рис. 7. На испытуемом валу 1 укреплены два диска 2, имеющие прорези (окна) в радиальном направлении. Эти диски вращаются вместе с валом. Под действием момента нагрузки вал скручивается и диски смещаются друг относительно друга на угол, пропорциональный моменту и расстоянию между дисками. На неподвижной части торзиометра расположены источник света 3 (лампа накаливания) и два фотоприемника 4. Лампа помещена посередине между дисками, а фотоприемники расположены по обе стороны дисков. При отсутствии крутящего момента прорези правого и левого дисков находятся на одной оси и световой поток одновременно попадает на оба фотоприемника. Следовательно, в этом случае фототоки обоих приемников будут совпадать по фазе. При увеличении крутящего момента диски смещаются друг относительно друга и освещение фотоприемников будет происходить не одновременно, а со сдвигом во времени. Поэтому фототоки приемников 4 окажутся сдвинутыми по фазе. Количество прорезей на каждомдиске и расстояние между ними обычно выбирают так, чтобы при максимальном крутящем моменте фазовый сдвиг между фототоками составлял 180°. Измерительная цепь прибора осуществляет измерение фазового сдвига между токами, или измерение времени между импульсами фототоков.

В последнее время в качестве источников света для фотоэлектрических датчиков все чаще применяются не лампы накаливания, а светодиоды, имеющие большую надежность и очень малое потребление электроэнергии для питания.

Вообще надо отметить, что сейчас очень быстро развивается оптоэлектронная техника, которая обеспечивает как преобразование энергии света в электроэнергию, так и обратное преобразование. В качестве датчиков положения, определения качества поверхностей, для считывания графической информации начинают применяться отражательные оптроны.

Для высокоточных измерений малых перемещений используют фотоэлектрические датчики, у которых между источником света и фотоприемником помещаются диски или линейки из прозрачного материала с нанесенными на них непрозрачными штрихами. В настоящее время известны линейки, имеющие до тысячи штрихов на 1 мм длины. Поэтому даже при малом перемещении линейки возникает значительное изменение сигнала фотоприемника. Еще более высокую чувствительность можно получить с использованием двух линеек, штрихи одной из которых выполнены с небольшим наклоном. При взаимном перемещении таких линеек возникает так называемый «муаровый» эффект. При незначительном перемещении линеек появляются темные «муаровые» полосы и световой поток, падающий на фотоприемник, резко изменяется.

Во всех рассмотренных выше примерах сам фототок не влиял на точность измерения или преобразования. Фотоприемники работали не в аналоговом, а в дискретном режиме. Такой режим позволяет иметь более простые конструкции и схемы приборов, так как не требуется обеспечить высокую стабильность светового потока и напряжения питания.

Однако фотоэлектрические датчики используются и в аналоговом режиме, когда именно по значению фототока определяется измеряемая неэлектрическая величина. При измерении высоких температур (более 1000 °С) широкое распространение получили пирометры, использующие лучистую энергию тел, температура которых измеряется. С помощью фотоэлектрических датчиков построены яркостные пирометры и цветовые пирометры.

Фотоэлектрический яркостный пирометр основан на использовании зависимости между током I фотоэлемента и температурой Т источника излучения, освещающего фотоэлемент. Эта зависимость имеет вид , где коэффициента зависит от чувствительности фотоэлемента, а n — от его спектральной характеристики. Коэффициент п достигает 10—12 и может быть увеличен подбором соответствующих светофильтров. При использовании в качестве фотоприемников фоторезисторов их включают в мостовую схему (рис. 8). На фоторезистор ФР1 падает световой поток от контролируемого объекта. На фоторезистор ФР2 падает световой поток от лампочки накаливания. При нарушении баланса моста напряжение с его измерительной диагонали подается на усилитель, который питает лампу накаливания и изменяет ее накал таким образом, чтобы уменьшить разбаланс моста. Амперметр в цепи лампы накаливания может быть проградуирован в единицах температуры. Градуировка проводится по показаниям образцового пирометра.

В основу работы фотоэлектрических цветовых пирометров положено следующее физическое явление, называемое законом смещения. При нагреве тело излучает световой поток, где присутствуют разные цвета, т. е. имеются электромагнитные колебания с разными длинами волн. Однако каждой температуре соответствует определенная длина волны, на которой интенсивность излучения максимальна.

В цветовых пирометрах определяется отношение интенсивно-стей излучения данного тела в лучах двух заранее выбранных длин волн. Это отношение для каждой температуры будет различным, оно однозначно определяет температуру тела.

Рис. 8. Фотоэлектрический яркостный пирометр — датчик высоких температур

На рис. 9 показана схема фотоэлектрического цветового пирометра. Излучение от объекта измерения А поступает на фотоэлемент 1 через диск 2, в котором попеременно расположены красные и синие светофильтры. Диск приводится во вращение с постоянной скоростью электродвигателем 3. Таким образом, на фотоэлемент попеременно попадают то красные, то синие лучи. Синхронно с вращением диска 2 усиленный сигнал с фотоэлемента переключается коммутатором 4, выделяющим два сигнала: соответствующий интенсивности красных лучей и соответствующий интенсивности синих лучей. Измеритель отношения сигналов (например, логометрического типа) проградуирован в единицах температуры.

Рис. 9. Фотоэлектрический цветовой пирометр

Представляет интерес использование фотоэлектрического датчика в измерителе влажности (психрометре). Влажность можно определить по так называемой «точке росы». Известно, что водяной пар, имеющийся в газе, начинает конденсироваться (осаждаться в виде росы) при определенной температуре, зависящей от влажности. Для определения начала осаждения росы и служит фотодатчик. Луч осветителя падает на маленькое зеркальце и отражается на фотоприемник. Поверхность зеркальца может охлаждаться и нагреваться системой терморегулирования, включаемой по сигналу фотодатчика. Если температура зеркала понижается до точки росы, то появляющийся на поверхности зеркала туман уменьшает световой поток, падающий на фотоприемник, и фототок резко уменьшается. Срабатывает реле, включающее нагреватель зеркала. Спустя некоторое время температура зеркала повысится, туман на нем исчезнет, фототок резко возрастет и сработает реле, включающее охладитель зеркала. Таким образом, температура зеркальца будет непрерывно колебаться относительно точки росы. Измеряя ее с помощью терморезистора или термопары, можно определить влажность.

Фотоэлектрические датчики применяют для измерения различных неэлектрических величин. В машиностроении применяются фотоэлектрические датчики размеров деталей. С помощью оптических систем можно спроецировать контур маленькой детали на весьма большую площадь, что существенно повышает чувствительность и точность измерения. В механических контактных датчиках для этого потребовались бы рычажные системы, которые бы оказывали силовое воздействие на деталь. А фотоэлектрический датчик не нагружает деталь. С его помощью можно контролировать размеры хрупких и непрочных деталей и узлов.

Применяются фотоэлектрические датчики для определения задымленности и загазованности при промышленных выбросах в атмосферу, что очень важно для охраны природы и здоровья людей. Фотоэлектрические колориметры, блескомеры, нефелометры позволяют объективно оценить качество изготовления и отделки различных изделий по их цвету, полировке, прозрачности соответственно. С помощью фотоэлектрических датчиков выполняется автоматическое прочтение машинописных и рукописных буквенных и цифровых текстов.

УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ ДАТЧИКИ