3. Охарактеризуйте устройство и работу фотоэлектрического датчика

Фотоэлектрические_датчдки служат для преобразования энергии света в электрические сигналы. Входной величиной этих датчиков являются: освещенность, световой поток; вы­ходной величиной — фототок.

Имеются следующие виды фотодатчиков:

1. Фотоэлементы с внешним фотоэффектом (рис. 30). До­стоинства их заключаются в малой инерционности и слабой зависимости фототока от температуры окружающей среды. Недостатками являются: малая чувствительность (не более 10 мкА на 1 лм), высокое питающее напряжение, хрупкость.

2. Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом (рис. 31) — фоторезисторы ФС. Принцип работы таких фотодатчиков заключается в том, что под действием света изменяется их сопротивление.

Фоторезисторы не требуют соблюдения полярности' включения и могут работать в цепи переменного тока. Их достоинствами являются: высокая чувствительность, надежность, небольшие габариты, устойчивость к механическим воздействиям.

Высокая чувствительность фоторезисторов позволяет использовать их в схемах автоматики без дополнительных усилительных устройств. Недостатки фоторезисторов: инерционность и нелинейность световой характеристики Iф=ƒ(Ф).

3. Фотодиоды (рис. 32), в которых используется свойство электронно-дырочного перехода изменять свое сопротивление при воздействии света. Фотодиод может быть включён в схему как с внешним источником питания, так и без него.

Режим работы фотодиода с внешним источником питания называется фотодиодным, а без внешнего источника питания — вентильным. В фотодиодным режиме при правильном подобранном сопротивлении Rн и напряжении источника питания U0 фототок зависит только от освещённости датчика. В вентильном режиме фототок возникает под действием фото-ЭДС. Достоинства фотодиодов: высокая чувствительность, небольшие габариты, устойчивость к механическим перегрузкам.

Недостаток — чувствительность к изменениям температуры окружающей среды.

4. Фототранзисторы — в них используется тот же принцип, что и у фотодиодов, но из-за наличия внутреннего усиления чувствительность их еще выше (рис. 33). Инерционность тех и других мала.

В отличие от других типов датчиков, фотодатчики часто включаются вместе с усилительным каскадом. Например, в схеме на рис. 34 фоторезистор Ф'СК-1 включен в базовую цепь транзистора. VI. Резистор R1 определяет смещение на базе транзистора, а резистор R2 — коллекторную нагрузку. При отсутствии светового потока ток в цепи R1—RЗ небольшой; при появлении светового потока увеличивается падение напряжения на резисторе R1 и транзистор VI открывается. При этом сопротивление транзистора падает, и напряжение, поступающее на выход схемы, зависит от величины светового потока.

Рис.34

В автоматических устройствах фотодатчики могут реагировать на появление и исчезновение предметов (рис. 35, а), на величину освещенной поверхности (рис. 35, б), на силу светового потока (рис. 35, в), на количество световых импульсов (рис. 35, г) и др.

Действие фотоэлектрического датчика основано на преобразовании изменения светового потока в изменение электрических параметров фотоэлемента.

Фотоэлементы — это особый вид полупроводников или электронных приборов (газонаполненные элементы).

Для измерения перемещений обычно используются фоторезисторы, меняющие свое внутреннее сопротивление при изменении освещения, и фотодиоды, которые при изменении освещения меняют свои вентильные свойства.

Схема фотоэлектрического датчика представлена на рис. 4.5.

Р ис. 4.5. Схема фотоэлектрического датчика релейного типа: 1 — осветитель; 2 — перемещающийся элемент; 3 — диафрагма; 4 — фотоэле­мент; 5 — усилитель; 6 — выходное реле

Работают фотоэлектрические датчики следующим образом. Измеряемое перемещение вызывает перекрытие светового потока, освещающего фотоэлемент. Изменение электрических параметров воспринимается электрической схемой, обычно усилителем.

Эти датчики широко применяются в промышленности не только для измерения перемещений, но и для контроля чистоты поверхности, наличия дефектов поверхности, счета деталей на конвейерах и т. п.

Существует группа фотоэлектрических импульсных датчиков, которые работают в комплексе со счетными устройствами. Такой комплекс позволяет измерять большие перемещения (как угловые, так и линейные) с высокой точностью. Высокая (в сравне­нии с другими видами датчиков) точность достигается за счет увеличения масштаба измеряемого перемещения при его учете.

Примером может служить муаровый растровый датчик, представляющий собой комбинацию двух растров — подвижного и неподвижного (рис. 4.6). Растры — это решетки из прозрачных и непрозрачных полос, форма которых может быть различной. На рис. 4.6, а, б представлены радиальные центральный и нецен­тральный растры, сопряжение которых применяется при измере­нии угловых перемещений, а на рис. 4.6, в, г — растровые решетки, сопряжение которых используется при измерении линейных перемещений.

Растровое сопряжение устанавливается на пути светового потока таким образом, чтобы он проходил перпендикулярно к обеим растрам.

П ри перемещении подвижного растра относительно неподвижного образуются комбинационные муаровые полосы, движущиеся перпендикулярно к измеряемому перемещению. Эти полосы пересекают световой поток, модулируют его, и фотодатчик формирует импульсы. Выходной сигнал измерительной схемы имеет цифровую форму — это число импульсов, учтенных счётчиком.

Рис. 4.6. Растры муаровых датчиков:

а, б — соответственно подвижный и неподвижный для измерения угловых пере­мещений; в, г — соответственно подвижный и неподвижный для измерения линейных перемещений