Определение и применение оптоволоконных датчиков

Знания о наличии деталей в машинах, работе осветительной арматуры, наличии деталей на конвейерах автоматических линий – один из важнейших компонентов промышленной автоматизации. Последовательность ошибок при сборке деталей и управлении процессами часто необходимо для выявления причины отказа. Во многих случаях ошибка происходит из-за отсутствия детали, необходимой для сборки, или ее плохого качества. Для избегания этого устанавливается датчик, который выполняет функцию проверки наличия необходимых деталей.

Существует огромное количество различных типов датчиков – индуктивные, емкостные, магнитные, фотоэлектрические. Каждый из них имеет свои сильные и слабые стороны в зависимости от области применения. Тем не менее, фотоэлектрические датчики имеют наиболее широкое предложение различных технологий  и типов, а также самый широкий спектр применения.

Фотоэлектрические датчики бывают с различными типами светового излучения (инфракрасного, видимого красного, класс лазера 1 и 2), чувствительных технологий (диффузных, подавление фона, светоотражающих, однолучевой) и с различными конфигурациями корпуса (фото глаз (photo eye) или волоконно-оптические). В данной статье рассматриваются определение и применение волоконно-оптических датчиков (или как их еще называют оптоволоконные датчики), которые предлагают расширенные возможности и параметры конфигурации, и прекрасно подходят для узких мест, которые слишком малы для датчика фото глаз (photo eye).

Оптоволоконная технология

Оптоволоконные датчики включают в себя два устройства, которые обычно указываются отдельно: усилитель, который часто называют электронным или  волоконно-фотоэлектрическим усилителем; и оптоволоконный кабель, который включает в себя оптическую головку и волоконно-оптический кабель, пропускающий свет от усилителя.

Принцип работы всех фотоэлектрических датчиков довольно прост. Каждый прибор имеет излучатель световых волн и приемник, который обнаруживает этот сигнал. При этом существует множество технологий для обнаружения и измерения световых волн, поступающих на приемник. Например, датчики подавления фона отслеживают угол, под которым возвращается световая волна, в то время как стандартные фотоизмерители отслеживают количество света, возвращаемого к датчику. Другие разновидности фотоизмерительных устройств контролируют время возврата световой волны, тем самым обеспечивая измерение расстояния.

raznovidnosti-volokonno-opticheskix-datchikov

Пара источник-приемник может устанавливаться как в одной оптической головке (при использовании диффузных и отражательных единиц), так и в двух оптических головках (использование однолучевых единиц). Волоконно-оптические датчики помещают в один корпус всю электронику с оптическими головками для излучателя и приемника световых волн, в котором приемник отделен от подключенной к корпусу электроники оптоволоконным кабелем. Излучаемые и получаемые волны проходят через этот кабель так же, как и при высокоскоростной передачи данных в волоконно-оптических сетях.

Одним из преимуществ такого разделения является то, что головка измерителя должна устанавливаться на измеряемом объекте. Интегрированный волоконно-оптический кабель прокладывается и подключается к усилителю, который может быть установлен в безопасном месте (как правило, шкаф управления), защищая его от часто жесткой производственной среды.

Разнообразие вариантов, доступных для обоих усилителей и волоконно-оптических кабелей просто огромен. Усилители варьируются от примитивных до сложных, а машиностроители продолжают требовать больше функций, в том числе логических и коммуникационных возможностей.

Усилители для оптоволоконных датчиков

Волоконно-оптические усилители варьируются от имеющих базовую комплектацию электронных компонентов и функциональности, до  устройств типа «подключи и работай»,  для моделей с полностью настраиваемой электроникой.  У некоторых даже есть электронные блоки, которые могут обрабатывать до 15 входов волокон в конфигурации коллекторного типа. Индикация выхода крайне желательна, поскольку он показывает, работает ли датчик корректно, но другие основные функции (таблица ниже) также должны быть указаны:

specifikaciya-volokonno-opticheskoj-elektroniki

Формат вывода и подключения к усилителям имеют важное значение, поскольку они определяют интерфейс к контроллеру, так как установка и сброс настроек является неотъемлемой частью конфигурации усилителя.

Типы выходов могут быть либо нормально открытыми (NO), либо нормально закрытыми (NC), а подключение может осуществляться по типу sinking, sourcing или push-pull. Параметры электрического соединения предварительно монтируются, как правило, с кабелем длиной 2 метра или quick disconnect со стандартным многоконтактным разъемом  M8 или M12. Установки переключателей программируются с помощью потенциометра или в цифровом виде, с помощью кнопок.

Помимо основных, расширенные возможности усилителей обеспечивают существенную гибкость с такими функциями как: импульсные выходы, задержки включения / отключения, а также возможность исключить прерывистые сигналы. Эти передовые элементы современной электроники дают машиностроителям возможность детализировать и корректировать параметры усилителя в соответствии с требованиями установки.

Задержки включения / отключения часто применяют для замедления реакции системы управления на изменения регистрируемых параметров. В случае прерывистых сигналов, некоторые приложения возвращают датчикам краткосрочные паразитные сигналы, которые не согласуются с общими условиями эксплуатации. Возможность устранить эти сигналы на датчике освобождает контроллер от этой задачи.

Большинство моделей снабжены светодиодами выходного состояния, в то время как некоторые предлагают дисплеи, на которых представлены сведения о силе сигнала и состояния выхода. Более продвинутые блоки имеют многострочные OLED дисплеи с настраиваемыми функциями диагностики и возможностью программирования.

Фильтрация сигнала часто требует увеличения частоты дискретизации, так как это обеспечивает более устойчивое измерение при изменяющихся условиях окружающей среды. Это усиливает сигнал, но заставляет блок работать на более низких частотах коммутации. Импульсные выходы позволяют растягивать входной сигнал, что может быть полезно в случае слишком большой частоты для входа программируемого логического контроллера ПЛК. Задержки включения/отключения позволяют потребителям устанавливать необходимые времена задержки выходных и входных сигналов.

Дополнительные блоки обеспечивают больше возможностей программирования, например, настройка чувствительности. С помощью данных опций пользователи могут подгонять чувствительность измерительного элемента для работы со сложными материалами, такими как стекло. Данная функция обучения устраняет или уменьшает необходимость в программировании контроллера для выполнения данных функций. Они также могут запрограммировать выход для включения/отключения между двух точек переключения. Например, для позиционирования деталей, переключатель включается в одном положении и отключается в другом, отслеживая при этом положение детали в пространстве.

Видимость света оптоволоконного кабеля

Волоконно-оптические кабели не проводят электрический ток — они пропускают свет. Они изготавливаются с различными конфигурациями и из различного материала, а также имеют различные типы чувствительной головки. В таблице ниже приведены некоторые из основных параметров оптоволоконных кабелей:

vybor-optovolokonnogo-kabelya

Диффузные волоконно-оптические кабели состоят  из двух шпон – одна для соединения с усилителем, а вторая с чувствительной головкой. При чем с чувствительной головкой соединяют два кабеля – тот который подключается к источнику света, и тот который подключается к измерительному элементу. Однолучевые волоконно-оптические кабели имеют два отдельных идентичных кабеля, которые подключаются к усилителю и каждый имеет свою оптическую головку. Один кабель передает свет – другой его принимает. Частая ошибка при работе с однолучевыми кабелями – это заказ только одного кабеля из двух. Это связано с тем, что некоторые поставщики могут поставлять только одну часть системы по номеру детали, поэтому при выборе однолучевых кабелей будьте внимательны.

Волоконные материалы, как правило, состоят из пластика или стекла. Пластиковые блоки тоньше, дешевле, обеспечивают большие радиусы изгиба. Стеклянные блоки более прочные и имеют более высокие рабочие температуры. Пластиковые волокна можно отрезать до нужной длины с помощью специального резака, в то время как стеклянные обрезаются только раз – при изготовлении и поставляются нужной длины. Оболочка волоконного материала может варьироваться от экструдированного пластика до оплетки из нержавеющей стали, для работы в самых неблагоприятных условиях.

varianty-optovolokonnyx-kabelej-i-golovok

Выбор оптической головки – самый важный этап в выборе оптоволоконного датчика.  Это связано с тем, что именно чувствительность головки влияет на обнаружение небольших неподвижных или подвижных частей. Выбор головки зависит от того, под каким углом излучатель и приемник расположены к измеряемому объекту, а также от дисперсии. Головки могут иметь округлые пучки волокна для создания кругового луча или протяженные, для создания горизонтальных проекций.

Круглые пучки в диффузионной головке могут быть строго разветвлены со всеми волокнами источника на одной половине, и с волокнами  приемника на другой половине. Такая конструкция встречается часто, но она может приводить к запаздыванию считывания информации с части, движущейся перпендикулярно к бифуркационной линии. Существует вариант с равномерным распределением волокон источника и приемника сигнала для получения более равномерных лучей. Равномерное распределение позволяет выравнивать воздействия при отправке и получении световых волн, что обеспечивает обнаружение независимо от направления движения.

На расстояние срабатывания волоконной оптики будет оказывать влияние усилитель, тип оптической головки, длина волокна кабеля. Исходя из этих трех параметров, влияющих на работу датчика, точную оценку точности и диапазона срабатывания дать трудно, но производители, как правило, приводят эти данные. Однолучевой датчик имеет больший диапазон, чем диффузный. Чем длиннее волокна кабеля, тем короче диапазон, а также стоит отметить, усовершенствованные усилители обычно имеют более сильные излучающие сигналы и более длинные диапазоны.

Подключение волоконно-оптических датчиков

Использование распределенного ввода / вывода и распределенных интеллектуальных систем растет во всей промышленной автоматизации, и волоконно-оптические датчики не являются исключением. Подключение нескольких волоконно-оптических кабелей датчиков к одному электронному коллектору имеет свои преимущества.

Волоконно-оптические усилители, как правило, одноканальные автономные устройства. С тонкими корпусами и креплением на DIN-рейку, они легко могут быть вмонтированы в панели управления. Один из недостатков может касаться маршрутизации электрических соединений для каждого отдельного усилителя.

Другой вариант заключается в использовании волоконно-оптический коллектора, который группирует множественные каналы волокна в одном центре управления:

volokonno-opticheskij-kollektor-dlya-gruppirovaniya-neskolkix-opticheskix-signalov-v-odin

Эти волоконно-оптические коллекторы обычно оснащены дисплеем OLED с меню, чтобы позволить программирование каждого канала волокна. Каждый оптоволоконный канал может быть сконфигурирован отдельно, например, установка на свет или затемнение, или гистерезис переключения. Этот централизованный контроль также позволяет группировку выходов через И / ИЛИ логику, которая может сократить и упростить выходной сигнал в ПЛК.

Применения и основные вопросы

Волоконная оптика работает довольно хорошо и обычно используется в системах со значительными электрическими шумами. Волокно кабеля не восприимчиво к электрическому шуму, а усилитель (восприимчив к шумам) может устанавливаться вдали от источника шума (например, в шкафу управления).

Другой, весьма распространённой область применения, являются небольшие сборочные линии. Операции на этих линиях, как правило, полностью автоматизированные и требуют наличия датчиков обнаружения детали на конвейере или в сборочном механизме, чтобы подтвердить сборочную операцию.

Оптоволоконные решения могут быть различными – размеры оптических головок, иметь различную ориентацию и дисперсию для обеспечения минимальных и максимально точных  фокусов света для каждого приложения независимо от размера корпуса. С помощью логики на плате управления и использовании двухканального датчика один канал может использоваться  для определения наличия детали в месте сборки, а второй канал может использоваться для подтверждения окончания операции сборки.

Общей проблемой всех видов оптоволоконных систем является чрезмерное сгибание волокон. Кабели и пучки отдельных волокон довольно податливы, чем позволяют монтажнику легко согнуть их больше, чем это допускает максимальный радиус изгиба. Это может привести к непоправимой пластической деформации волокон, что значительно снизит пропускание световых волн, или вовсе приведет к разрыву волокна и невозможности пропускать сигнал. Максимальный радиус изгиба варьируется в зависимости от типа волоконного материала, размеров, дисперсии волокон в пучке, и он должен выполнятся при любых условиях.

Вне зависимости от применения, потребители должны выбрать подходящую технологию датчиков. Волоконно-оптические датчики, усилители и волоконно-оптические головки должны быть тщательно отобраны для приложения, чтобы обеспечить надежную производительность измерения.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Подтвердите, что Вы не бот — выберите человечка с поднятой рукой: