2.3. Фотоэлектрические датчики

Действие фотоэлектрических датчиков основано на преобразовании механического перемещения штока в изменение лучистой энергии или направления светового потока и последующем преобразовании лучистой энергии в электрический сигнал.

Светочувствительный элемент (фoтoэлeмент) имеет электрическое свойство (например, внутреннее сопротивление), которое изменяется при воздействии на него светового потока. В датчиках используют элементы с внутренним фотоэффектом (фоторезисторы), который проявляется в том, что под действием светового потока в полупроводнике возрастает электропроводность. Это явление используют для замыкания электрической цепи, в которую включается датчик.

Рис.13. Схема фотоэлектрического датчика для сортировки деталей на размерные группы

Принцип действия фотоэлектрического датчика для сортировки деталей на размерные группы показан на рис. 13. Деталь 1 устанавливают под шток 2, кинематически связанный с рычагом 3. При перемещении штока рычаг поворачивается, растягивая или сжимая скрученную пружинную ленту 4. Зеркало 5 поворачивается на угол, соответствующий размеру детали, если на зеркало направить луч света от неподвижного источника света 6, отраженный луч попадет на один из расположенных по дуге окружности фоторезисторов 7. Чтобы рассортировать детали, например, на 10 размерных групп, нужно установить в датчике столько же фоторезисторов.

Другой характерный тип фотоэлектрических датчиков - предельные, предназначенные для допускового контроля. Они разделяют детали на годные, "брак +", "брак -". К ним относятся датчики ПФП и др. В них луч света, отраженный зеркалом 5 (рис. 14) от источника 8, попадает на фоторезистор после отражения от кольцевых зеркал 9 и 10. Если размер детали находится в пределах допуска, поворот зеркала 5 не выходит за пределы угла а где одновременно освещаются два кольцевых зеркала и фоторезисторы 7 и 6. Если размер детали больше или меньше заданного, луч света, отраженный зеркалом 5, выходит за пределы угла а и попадает только на одно из кольцевых зеркал, при этом освещается один из фоторезисторов и подается команда на отбраковку детали. Для настройки датчика на заданную величину допуска изменяют угол перекрытия, а кольцевых зеркал. Зеркала поворачивают одно по отношению к другому с помощью шестеренчато-реечной передачи.

Рис. 14. Фотоэлектрический датчик предельного типа

Рассмотрим принцип действия пружинного передаточного механизма фотоэлектрических датчиков (рис. 15). Перемещение штока 1, соединенного с пружиной 3 и подвешенного на пружинных мембранах 2 и 4, преобразуется в поворот угольника 5, натягивающего скрученную ленту 6, при этом поворачивается зеркало 7. Если шток будет часто и быстро двигаться, то возможно возникновение крутильных колебаний зеркала, что вызывает погрешности срабатывания. Чтобы этого не происходило, колебания гасятся с помощью демпфера — миниатюрного шарика 8, помещенного в отверстие 9, заполненное эластичной пластмассой. Натяжение ленты регулируют пружиной 11 с помощью винтов 12. Для изменения длины рычага 1 при регулировке чувствительности используют винт 10.

Конструкции фотоэлектрических датчиков продолжают совершенствовать, добиваясь увеличения точности измерения, а если требуется, расширяя пределы сортировки.

Рис. 15. Фотоэлектрический датчик с пружинным передаточным механизмом

Большое распространение получили также фотоэлектрические датчики с диафрагмированием светового потока (рис. 16), относящиеся к непредельным датчикам. Рассмотрим принцип их действия.

Рис. 16. Схема фотоэлектрического прибора

Световой поток от источника 1 через оптическую систему 2 и щелевую диафрагму 3 падает на фотоэлемент 4. Щелевая диафрагма частично закрыта контролируемой деталью 6. Таким образом, величина потока излучения, падающего на фотоэле­мент, определяется размером детали. Этот поток вызывает опре­деленной величины ток в микроамперметре 5.

Низкая точность приборов, построенных по этой схеме, объяс­няется тем, что на результаты измерения влияют колебания яр­кости источника излучения, питающего напряжения, температу­ры и др. Эта схема также чувствительна и к постороннему излу­чению, падающему на фотоэлемент.

С целью уменьшения или полного устранения влияния указан­ных параметров на результаты измерения применяют дифферен­циальные, компенсационные схемы.

Для наиболее точных измерений светового потока, падающего на светочувствительную поверхность, используют другие методы измерения. Рассмотрим схему фотоэлектрического преобразователя со сканирующей диафрагмой (рис. 17).

Рис. 17. Схема фотоэлектрического преобразователя со сканирующей диа­фрагмой

Диафрагме 2 сообщают колебательное движе­ние, причем такой амплитуды, чтобы при смещении вправо и плево она заходила за границы отверстия или щели 3, размер которой измеряется. В этом случае интенсивность светового по­тока, идущего от источника света 1 на фотоприемник 4, перио­дически изменяется с частотой колебания диафрагмы 2. При сме­щении диафрагмы влево или вправо за пределы щели световой поток прерывается, и через фотоприемник перестает проходить фототок. В процессе движения диафрагмы над щелью через фотоприемник проходит импульс фототока. О ширине щели мож­но судить по длительности импульса фототока. Чтобы длитель­ность импульсов фототока была пропорциональна ширине щели, устройство сканирования должно обеспечивать движение диа­фрагмы с постоянной скоростью.

Недостатками этого метода является необходимость использования механически движущихся элементов, поэтому в настоящий момент наиболее перспективными являются устройства, связанные с немеханической модуляцией света (акустической модуляцией).

Достоинства фотоэлектрического метода:

1. высокая чувствительность измерений 10 мм;

2. малая погрешность измерений (0,5+1)∙10 мм;

3. большой диапазон измерений (0,01+5) мм;

4. высокое быстродействие до 10 сек;

5. возможность осуществления контроля размеров с расстояния от 10 до 100 мм;

6. возможность получения исправленной информации об измеряемом параметре.