566

Волоконно-оптические датчики передают свет от точечного источника мощностью P0 (передатчика) в другую точку пространства. Свет распространяется радиально и одинаково во всех направлениях (рис. 1) и его мощность определяется по формуле

P = P0/r2,

где P — мощность светового потока (мощность излучения).

Если источник света поместить в фокусе линзы, радиальный поток преобразуется в параллельный пучок света. Мощность его остается постоянной, пока он не встретит препятствие (рис. 2).

Все материальные среды, за исключением вакуума, имеют посторонние включения и в конечном счете неоднородны. Световой поток поглощается и рассеивается на этих неоднородностях, что определяется как ослабление света. Даже чистейшее стекло имеет неоднородности и поэтому ослабляет световой поток.

Упрощенно распространение света может быть представлено в виде отдельных узких лучей, собранных в пучки. Если луч света падает на границу раздела двух сред с коэффициентами преломления n1 и n2, то небольшая его часть отражается (угол падения равен углу отражения), а остальная часть проходит во вторую среду и преломляется (рис. 3). Синусы углов падения и преломления световых лучей относятся как коэффициенты преломления соответствующих сред:

Если непрерывно увеличивать угол падения, то можно достигнуть предела, при котором неотраженная часть луча становится параллельной линии границы раздела сред (граница луча). При углах падения, превышающих предельный, имеет место полное отражение светового луча. Полное отражение достигается на границе между оптически плотной (большой коэффициент преломления) и оптически прозрачной (малый коэффициент преломления) средами (рис. 4).

В волоконно-оптическом датчике свет полностью отражается во всех направлениях внутри цилиндрического световода, и луч света следует в соответствии с формой изогнутого световода (рис. 5). В качестве проводника света в световодах применяется стекло или синтетический материал. Полное отражение в стекловолоконном сердечнике с коэффициентом преломления n2 на границе с окружающей стекловолоконной оболочкой с коэффициентом преломления n1 (n2 >> n1) обеспечивает передачу света по световоду оптического датчика. Чем больше разница между n1 и n2, тем больше угол, под которым лучи света могут вводиться в сердечник световода с последующим полным отражением света внутри сердечника. Этот угол называют апертурным углом световода θ (или просто апертурой). Величина угла θ определяется следующей формулой:

21

sin θ = n22 − n12 .

Стекловолоконная оболочка n1 (оптически прозрачная среда)

Стекловолоконный сердечник n2 (оптически плотная среда)

Рис. 5. Полное отражение в изогнутом световоде волоконно-оптического датчика

Описание волоконно-оптического датчика «Pepperl+Fuchs»

Тип: SU15-K/32/82f/95.

Принцип действия волоконно-оптического датчика SU15-K/32/82f/95 основан на отражении луча света от обнаруживаемого объекта, поэтому излучатель и приемник оптического излучения здесь совмещены. Конструктивные особенности датчика определяются применением в нем волоконной оптики (рис. 6).

Датчик SU15 состоит из оптического и электронного преобразователей, соединенных между собой сдвоенным волоконно-оптическим световодом.

Оптический преобразователь представляет собой тонкостенную металлическую трубку, в которую помещены световод излучателя и световод приемника оптического излучения. Световоды вставляются в соответствующие гнезда электронного преобразователя и фиксируются винтами. В датчике используется световое излучение красного цвета, которое генерируется средствами электронного преобразователя.

Электронный преобразователь принимает по световоду отраженный от объекта свет, преобразует его в электрический сигнал и производит необходимую обработку сигнала. На выходах электронного преобразователя формируются дискретные сигналы логических уровней. Конструкция электронного преобразователя допускает его монтаж на стандартной DIN-рейке. В дидактическом исполнении оптический преобразователь снабжен специальным держателем, позволяющим вставлять его в каретку панели «Датчики приближения» (на рис. 6 не показан).

фиксирующий выходной винт разъем

Рис. 6. Волоконно-оптический фотоэлектрический датчик SU15

Благодаря встроенному микропроцессору оптический датчик SU15 представляет собой программируемую систему, обладающую функцией самодиагностики и позволяющую устанавливать набор расширенных параметров – от параметров конфигурирования выходов до параметров режима работы датчика. Программирование может осуществляться либо специальным программатором при наличии

22

оптической связи с датчиком, либо с помощью персонального компьютера и специального программного обеспечения. Кроме того, программирование точек переключения – основных параметров датчика — можно выполнить с помощью мембранных кнопок «+» и «–», а также светодиодов, расположенных на электронном преобразователе, в режиме обучения.

Возможны три способа установки точки переключения: ручной, автоматический для неподвижных объектов и автоматический для движущихся объектов.

Задание точки переключения ручным способом осуществляют следующим образом:

1.Разблокировать кнопки электронного блока. Обычно при подаче питания на датчик кнопки «+» и «–» заблокированы, чтобы исключить случайное изменение настроек датчика. Для разблокирования кнопок следует одновременно нажать обе кнопки и удерживать их в этом положении не менее 5 с (пока один раз не мигнет зеленый светодиод). Если зеленый светодиод мигает непрерывно, датчик уже находится в автоматическом режиме и для перевода его в режим ручных установок следует нажать любую из кнопок.

2.Поместить объект на нужном расстоянии от датчика.

3.Отрегулировать чувствительность датчика кнопками «+» и «–». Если горит желтый светодиод, следует уменьшить чувствительность нажатиями на кнопку «–» до выключения светодиода; если желтый светодиод не горит, следует увеличить чувствительность нажатиями на кнопку «+» до включения светодиода. Нажатия кнопок могут быть кратковременными или продолжительными (многократный повтор действия). При этом двойной светодиод загорается красным светом. Если вспышек красного света нет, то либо датчик находится за пределами допустимого диапазона обнаружения, либо кнопки заблокированы и их следует разблокировать.

4.Проверить настройку датчика его перемещением относительно объекта. Двойной светодиод должен выдать несколько красных вспышек, и далее устанавливается нормальный режим переключения. При продолжающемся мигании красного светодиода процедуру программирования следует повторить.

Эксперименты

Эксперимент 1. Ширина зоны сканирования. Диапазон обнаружения

Проверьте диапазон обнаружения волоконно-оптического датчика для образцов различных материалов. Вычислите значения ширины зоны сканирования.

Процедура Подключите волоконно-оптический датчик к источнику питания на панели «Датчики прибли-

жения», как показано на рис. 7.

Вставьте держатель образцов в сегментный диск таким образом, чтобы стрелки диска и панели были направлены друг на друга. Закрепите в держателе стандартный белый образец.

Перемещайте каретку с оптическим преобразователем по направлению к образцу, пока преобразователь не коснется образца (расстояние s = 0 мм). Отрегулируйте положение образца по оси оптического преобразователя.

Запишите в табл. 1 значение p0 начального положения датчика.

Нажатиями кнопок «+» и «−» установите максимальное значение ширины зоны сканирования, при котором желтый светодиод на электронном блоке выключен (на источнике питания горит правый светодиод). При этом мигает красный светодиод на электронном блоке датчика.

Теперь отодвигайте каретку с оптическим преобразователем от образца, пока не загорится и далее не погаснет желтый светодиод на электронном блоке датчика. При этом левый светодиод на блоке питания должен погаснуть, а на электронном блоке должен гореть зеленый светодиод.

Перемещайте оптический преобразователь по направлению к образцу, пока выход датчика не переключится, и запишите величину расстояния включения pe в табл. 1.

Повторите описанные выше действия для образцов, указанных в табл. 1. Обобщите результаты эксперимента и сделайте выводы.

Таблица 1

Результаты 1-го эксперимента

23

pe, мм

Рис. 7. Подключение выходов датчика

Эксперимент 2. Частотный счет. Измерение частоты вращения

Проверьте обнаружение углового перемещения с помощью волоконно-оптического датчика, определите частоту переключения fs и частоту вращения n сегментного диска.

Процедура Подключите волоконно-оптический датчик к гнездам в поле источника питания панели «Дат-

чики приближения», как показано на рис. 7, и соедините переключательный выход датчика (черного цвета) с входом счетчика.

Переместите каретку с оптическим преобразователем к левому концу направляющей линейки. Вставьте держатель с оптическим преобразователем в каретку таким образом, чтобы торец преобразователя был направлен на сегментный диск. При этом центральный штырь держателя должен

быть вставлен в верхнее отверстие каретки, а два других штыря должны касаться каретки. Расположите каретку над крайней областью сегментного диска с 36 сегментами и выдвиньте опти-

ческий преобразователь из держателя на такое расстояние, чтобы световое пятно не превосходило по размеру один сегмент (примерно 5 мм от поверхности диска).

Внимание! Оптический преобразователь не должен касаться сегментного диска.

Переведите датчик в режим обучения и настройте его чувствительность таким образом, чтобы он уверенно различал белые и черные сегменты. Для этого переведите счетчик в режим счета (позиция переключателя «Счет»).

Переместите каретку влево, чтобы оптический преобразователь сканировал внутреннюю область сегментного диска с тремя сегментами.

Переведите счетчик в режим измерения частоты (позиция переключателя «Частота») и запишите значение f1 в табл. 2.

Сдвигайте каретку вправо, чтобы оптический датчик обнаруживал четыре средних сектора на сегментном диске, а затем и 36 секторов. Запишите значения частоты в табл. 2.

Увеличивайте частоту вращения сегментного диска, соответствующую показаниям счетчика fs = 1200 Гц

Сдвигайте каретку влево, чтобы оптический датчик обнаруживал четыре средних сектора на сегментном диске, а затем и 3 внутренних сектора. Запишите значения частоты в табл. 2.

Вычислите значения частоты вращения n сегментного диска для найденных частот переключения fs при различном числе сегментов N.

Эксперимент 3. Обнаружение строчных меток

Проверьте обнаружение строчных меток волоконно-оптическим фотоэлектрическим датчиком.

24

Процедура Подключите волоконно-оптический датчик к гнездам в поле источника питания панели «Датчики

приближения», как показано на рис. 7, и соедините переключательный выход датчика (черного цвета) с входом счетчика.

Переместите каретку к левому концу направляющей линейки.

Вставьте держатель с оптическим преобразователем в каретку таким образом, чтобы оптический датчик обнаруживал строчные метки над кареткой. При этом центральный штырь держателя должен быть вставлен в боковое отверстие каретки, а два других штыря должны касаться каретки.

Расположите каретку над крайней меткой и выдвиньте оптический преобразователь из держателя на такое расстояние, чтобы световое пятно не превосходило по размеру метку.

Внимание! Оптический преобразователь не должен касаться экспериментальной панели. Переведите датчик в режим обучения и настройте его чувствительность таким образом, чтобы

он уверенно различал крайнюю левую метку. Для этого поместите датчик над синей строкой и кнопками «+» и «–» добейтесь включения зеленого индикатора на электронном блоке.

Переместите каретку левее крайней левой метки.

Перемещением каретки вправо и подсчетом пройденных меток проверьте, как датчик распознает верхнюю разметку панели. Запишите число обнаруженных меток. Отметьте минимальный размер метки, при котором датчик не срабатывает.

Эксперимент 4. Определение диаметра объекта

Определите диаметр монеты с помощью волоконно-оптического датчика. Процедура

Подключите волоконно-оптический датчик к гнездам в поле источника питания панели «Датчики приближения», как показано на рис. 7.

Поместите небольшую монету в зоне позиционирования по центру зоны.

Примечание. Держатель оптического преобразователя датчика должен быть выдвинут из каретки таким образом, чтобы преобразователь находился над центром монеты.

Закрепите оптический преобразователь в держателе таким образом, чтобы преобразователь не касался монеты, и настройте датчик, чтобы он обнаруживал монету (светодиод включен).

Соедините выход электронного преобразователя датчика (черный штекер) с гнездом «STOP» панели управления.

Переместите оптический датчик над монетой один раз слева направо и один раз справа налево. Запишите отсчеты со шкалы, соответствующие положениям датчика в моменты включения свето-

диода (peлев и peправ).

По полученным отсчетам вычислите диаметр монеты. peлев:…………………………………………………….. peправ:……………………………………………………. Диаметр d =………………………………………….

Контрольные вопросы

1.Принцип действия волоконно-оптического датчика.

2.Поясните применение датчика с учетом особенностей его работы.

3.На какой параметр контролируемой среды реагирует оптоволоконный датчик при измерении частоты вращения?

4.На какой параметр внешней среды реагирует оптоволоконный датчик при распознавании ме-

ток?

25

26