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:
Как подключить акустическую систему к телевизору через оптику «Оptical Digital Audio».
- — излучатель (светодиод, лазер, либо иной вариант)
- — генератор
- — настроечный элемент (потенциометр/кнопка/винт)
- — индикатор работы
Приёмник же является более сложным устройством и включает:
- — фотодиод
- — демодулятор
- — триггер Шмитта
- — 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)
Источник: sensoren.ru
Оптические датчики. Виды, принцип работы
Для чего нужны оптические датчики? Где применяются и как работают
Термин оптический датчик может означать две разные вещи:
- Существуют датчики для света, по существу, определяющие такие свойства, как оптическая мощность или интенсивность.
- Другие устройства измеряют неоптические свойства, такие как силы, смещения и наклоны, деформация, температура, химические или электрические свойства, и каким-то образом используют свет для этой цели.
Полезные статьи:
Световые датчики
Различные свойства света могут быть рассмотрены с помощью определенных типов оптических датчиков:
- В большинстве случаев измеряется оптическая мощность или интенсивность. Для этой цели часто используется фотодиод или какой-либо другой вид фотоприемника. Иногда используется тепловой детектор, в котором оптическое излучение преобразуется в тепло и измеряется результирующее повышение температуры, обычно с помощью электронных средств. Датчики мощности или интенсивности могут быть интегрированы в измерительные приборы, такие как измерители оптической мощности и мониторы оптической мощности.
- Существуют приложения, в которых необходимо определить пространственное положение светового луча. Для таких целей существуют позиционно-чувствительные детекторы разных видов, некоторые из них с чрезвычайно высоким пространственным разрешением.
- Другие оптические датчики могут проверять дополнительные свойства световых лучей или рассеянного света, например, в отношении поляризации или оптического спектра.
Датчики, использующие свет
В этом разделе объясняются датчики, которые измеряют неоптические свойства на основе принципа измерения, который включает использование света.
Оптические датчики могут иметь существенные преимущества перед конкурирующими технологиями, например, в отношении производительности или удобства использования в экстремальных условиях.
Такие датчики конкурируют с другими сенсорными технологиями, например, основанными на чисто электронных средствах. По сравнению с ними оптические датчики часто дороже, но, тем не менее, могут быть предпочтительнее из-за определенных преимуществ.
Например, для приложений для измерения в конкретных жестких условиях, проявляющих сложные аспекты, такие как интенсивные электрические поля, радиоволны или экстремальные температуры, может быть выгодно иметь относительно прочный и непроводящий чувствительный элемент. Такой как оптическое волокно, содержащее волоконную дифракционную решетку (Брэгга).
Такие типы датчиков могут работать, не создавая проблем с изоляцией или взрывоопасности, требуя электроэнергии в неудобном месте или подвергаясь чрезмерному влиянию определенных помех в окружающей среде.
Другим аспектом является иногда превосходная производительность, например, чрезвычайно высокое разрешение, с которым можно измерить механическую деформацию, особенно в случае интерферометрических датчиков.
В некоторых случаях используется оптический измерительный прибор, к которому подключен один или несколько внешних оптических датчиков. Например, можно иметь несколько или даже много волоконных брэгговских решеток, встроенных в длинное оптическое волокно, или использовать своего рода распределенное зондирование по всей длине волокна.
Возможный принцип измерения заключается в определении местоположения по времени поступления импульсных сигналов с использованием конечной скорости света. Такая распределенная сенсорная система также может быть существенно более экономичной, чем система, основанная на длинной цепочке электронных сенсорных элементов. Они требуют множество электрических кабелей или сложной системы электронных шин.
Далее мы обсудим наиболее распространенные типы оптических датчиков (сгруппированные по измеряемым величинам), не стремясь создать что-либо близкое к полному обзору сенсорных технологий, поскольку это огромная область.
Датчики присутствия
Датчики, основанные на принципе светового барьера, часто используются для обнаружения присутствия людей или некоторых других объектов. Здесь один посылает луч света, например, лазерный луч от инфракрасного лазерного диода, через определенную область и обнаруживает прибывающий луч, который, может быть заблокирован человеком, входящим в область.
Аналогичным образом, оптические датчики могут использовать рассеянный свет или излучаемое тепловое излучение.
Оптические датчики механических величин
Волоконно-оптические датчики деформации, смещения, наклона, вращения, силы и ускорения стали довольно распространенными и могут иметь удивительные показатели производительности.
Широкий спектр оптических датчиков может использоваться для измерения и контроля механических величин, таких как силы, перемещения и наклоны (= изменения положения вращения) и деформации. Они могут быть основаны на самых разных принципах измерения. Например, изменения положения можно очень точно отслеживать с помощью различных видов интерферометров, которые могут быть реализованы либо с помощью объемной оптики, либо с помощью волоконной оптики.
Те же принципы могут быть использованы для измерения механических сил, поскольку их можно легко преобразовать в перемещения, используя упругую деформацию некоторой механической части.
Аналогичным образом, ускорения могут быть измерены, например, через относительное движение испытуемой массы или через силы инерции. Кроме того, существуют различные методы измерения вибраций, частично с высоким временным разрешением и чувствительностью. Для определения вращений существуют оптические гироскопы, например, на основе кольцевых лазеров, которые могут быть чрезвычайно чувствительными.
Многие из этих устройств реализованы в виде волоконно-оптических датчиков.
Часто, но не всегда с использованием волоконных брэгговских решеток. Часто такие датчики также чувствительны к изменениям температуры, но существуют различные способы разделения таких влияний; на самом деле, существует множество датчиков, которые одновременно могут измерять деформацию и температуру.
Часто используемый метод заключается в использовании двух идентичных волоконных решеток Брэгга, где обе решетки подвергаются воздействию одинаковой температуры, но только одна из них подвергается определенной деформации.
Датчики брэгговской решетки
Влияние деформации и температуры можно различить с помощью различных методов. Например, с помощью эталонных решеток, которые подвергаются воздействию одной и той же температуры, но не деформации, или комбинируя различные типы волоконных решеток. Так что деформация и температура получаются одновременно.
Существуют также лазерные датчики с брэгговской решеткой, в которых реализованы небольшие волоконные лазеры, состоящие из двух решеток и редкоземельного легированного волокна между ними. В качестве альтернативы, может быть один ВБР и широкополосный отражатель с другой стороны.
При подаче света накачки такое устройство выдает сигнал с длиной волны, близкой к длине волны Брэгга. Затем можно измерить эту длину волны излучения, и, что примечательно, на нее практически невозможно повлиять даже во время распространения в довольно длинном волокне – в отличие от сигналов с амплитудным кодированием, на которые может повлиять затухание.
Датчики огня и дыма
Огонь можно обнаружить по-разному:
- Можно ощутить результирующее повышение температуры с помощью какого-либо температурного датчика
- Можно измерить генерируемое тепловое излучение (тепловое излучение, инфракрасный свет) с помощью своего рода инфракрасного детектора.
- Можно обнаружить генерируемый дым. Например, в домашних хозяйствах стало очень распространенным использование оптических устройств дымовой сигнализации, которые обнаруживают рассеяние света, генерируемого небольшим светодиодом (LED). Этот свет может рассеиваться в направлении ближайшего фотоприемника, который установлен таким образом, что без дыма генерируемый свет не может достичь его. Обычно источник света не работает непрерывно, и при обнаружении дыма генерируется громкий сигнал тревоги, чтобы люди могли принять меры. Из-за низкого потребления электроэнергии в обычном режиме мониторинга компактной батареи может хватить на годы.
Химические датчики
Химические датчики могут реагировать на концентрацию определенного вещества или на некоторые химические параметры, такие как значение pH, указывающее степень кислотности. Были разработаны различные типы оптических датчиков, которые можно использовать для таких целей. Они могут быть основаны на самых разных принципах работы:
- Величина, представляющая интерес, может изменять показатель преломления или оптическое поглощение вещества, которое можно контролировать с помощью света. Здесь могут потребоваться измерения, зависящие от длины волны. Например, это делается в колориметрических датчиках.
- В других случаях некоторые химические вещества излучают флуоресцентный свет (часто контролируемым образом возбуждаемый падающим зондирующим светом), который может быть чувствительно обнаружен – возможно, даже с существенным пространственным разрешением.
- Часто какой-либо вид зондирующего света взаимодействует с химическим образцом, например, с пучком свободного пространства, проходящим через измерительную ячейку, или с очень локализованным контактом мимолетного света из своего рода волновода с окружающей средой.
- Некоторый агент может быть привлечен определенными химическими веществами, измеряя оптические эффекты этого агента, можно определить концентрацию других химических веществ.
- Химическое зондирование также может быть выполнено на больших расстояниях, например, до положения высоко в атмосфере Земли.
Датчики электрических и магнитных величин
Существуют различные способы, с помощью которых электрические величины можно контролировать с помощью оптических средств.
Например, показатель преломления некоторых кристаллических материалов линейно зависит от напряженности приложенного электрического поля. Этот электрооптический эффект может быть использован для электрооптического отбора проб, например, при исследовании определенных электронных чипов. Аналогичным образом, можно использовать эффект Фарадея для оптических датчиков, адресуемых магнитным полям. Поскольку магнитные поля часто генерируются электрическими токами, их также можно использовать для изготовления датчиков тока, которые могут быть полезны.
Например, для измерения токов в жестких условиях высокого напряжения, таких как системы передачи электроэнергии сверхвысокого напряжения, включая подземные кабели.
Источник: m-focus.ru
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
Говорить об определенной стоимости оптического датчика нельзя, хотя принцип работы одинаковый для многих. Вся основа цены заключается в системе (механизме) где применяется лидар или же его строении. Самый обычный датчик без особых излишних функций обойдется от $10, если же говорить о системах безопасности, в частности адаптивный круиз-контроль или мониторинг объектов впереди автомобиля обойдется от $100.
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:
Источник: fastmb.ru