Фотоэлектрические датчики: диффузные, барьерные и рефлекторные — как выбрать под задачу

Фотоэлектрический датчик — это прибор, который обнаруживает объект с помощью светового луча. В отличие от индуктивных датчиков, он реагирует не только на металл: оптический датчик присутствия объекта способен зафиксировать деталь из пластика, стекла, картона, дерева, практически любого материала. За счет этого фотодатчики занимают особое место в промышленной автоматизации: там, где индуктивный или емкостный датчик не справится, фотоэлектрический часто становится единственным подходящим решением.

Но выбрать правильный тип — задача не всегда очевидная. Диффузный, барьерный, рефлекторный и каждый из них имеет свою логику работы, сильные стороны и ограничения. Понять разницу поможет эта статья.

Принцип работы фотоэлектрического датчика

Любой фотодатчик строится на одной основе: источник света (обычно светодиод в инфракрасном или красном видимом диапазоне) и фотоприемник, который регистрирует световой поток. Логика простая: если поток изменился, значит, объект появился или исчез. Разница между тремя принципиальными схемами работы в том, как именно организован световой путь между излучателем и приемником.

Диффузный датчик: излучатель и приемник в одном корпусе

Диффузный фотодатчик (его также называют датчиком диффузного отражения) работает по принципу «отразилось, значит, есть». Источник и приемник света расположены в одном корпусе. Датчик посылает луч вперед, и если на пути стоит объект и свет отражается обратно к приемнику. При отсутствии объекта отраженного сигнала нет.

Это самый простой в монтаже вариант: нужно установить только один прибор, кабель прокладывается в одну точку. Именно поэтому диффузный фотодатчик самый массовый тип в автоматизации.

Барьерный датчик: максимальная надежность на больших расстояниях

Барьерный фотодатчик (световой барьер, однолучевой барьер) — это пара из отдельного излучателя и отдельного приемника, которые устанавливаются напротив друг друга. Между ними постоянно проходит световой луч. Когда объект пересекает этот луч — приемник фиксирует затемнение и формирует выходной сигнал.

Такая схема наиболее надежная из всех трех. Поскольку энергия луча не тратится на отражение, барьерный принцип дает максимальные рабочие расстояния: от нескольких метров до десятков метров. Датчик практически не зависит от цвета, материала и поверхности объекта, важен лишь сам факт перекрытия луча.

Применение на конвейерных линиях — классика для барьерного датчика. Фотоэлектрический датчик для конвейера, где нужно считать или контролировать присутствие изделий, — это почти всегда барьерная пара. Она работает даже при сильном запылении, поскольку интенсивности прямого луча значительно больше, чем у отраженного.

Рефлекторный датчик

Рефлекторный фотодатчик занимает промежуточное положение. Излучатель и приемник  как у диффузного датчика находятся в одном корпусе. Но луч возвращается к приемнику не от объекта, а от специального уголкового рефлектора (ретрорефлектора), установленного напротив датчика. Объект обнаруживается в момент, когда он перекрывает луч между датчиком и рефлектором.

Это дает сразу несколько преимуществ по сравнению с диффузным принципом. Рабочее расстояние до нескольких метров, надежность обнаружения не зависит от цвета и поверхности объекта, кабель прокладывается только к одной точке. При этом монтаж проще, чем у барьерного датчика: рефлектор не требует питания и подключения кабеля.

Наиболее актуальное специализированное применение рефлекторного принципа — обнаружение прозрачных объектов. Обычный диффузный фотодатчик «не видит» стеклянную бутылку, прозрачную пленку или ПЭТ-упаковку: свет проходит сквозь них, практически не отражаясь. Барьерный датчик тоже не справляется: прозрачный объект пропускает луч, и датчик его не замечает. А рефлекторный датчик для обнаружения прозрачных объектов использует специальный поляризационный фильтр: прозрачный объект нарушает поляризацию луча на пути к рефлектору, и именно это изменение регистрируется приемником.

Таблица сравнения: как выбрать нужный тип

Применение на производстве

• Диффузный датчик — монтаж на роботизированных захватах, в местах, где доступ только с одной стороны, контроль подачи деталей в подающем лотке, обнаружение этикеток на упаковке.
• Рефлекторный датчик — контроль наличия прозрачной упаковки на линии розлива, обнаружение изделий на конвейере средней ширины, входная сигнализация в воротах склада.
• Барьерный датчик — счет деталей на высокоскоростных конвейерах, контроль въезда паллет в зоны склада, охрана опасных зон на прессовом оборудовании, обнаружение объектов на открытых уличных конвейерах.

Для точного обнаружения небольших деталей, например, мелких электронных компонентов на сборочной линии, используются лазерные барьеры с рефлектором: узкий лазерный луч позволяет зафиксировать объекты диаметром менее миллиметра.

Важные параметры при выборе фотодатчика

• Рабочее расстояние. Нужно учитывать не только номинальную дальность, но и запас: условия на производстве (запыление, вибрация, боковые смещения) снижают стабильность работы на предельных расстояниях. Рекомендуется выбирать датчик с рабочим расстоянием в 1,5–2 раза больше требуемого.
• Тип источника света. Инфракрасный светодиод надежно, не виден глазу, хорошо работает в темных и запыленных условиях. Красный видимый луч удобнее при настройке и юстировке. Лазерный луч для обнаружения мелких объектов или работы на больших расстояниях.
• Степень защиты. Для применений в условиях влажности, мойки оборудования и брызг требуется IP67 или IP69K. Для открытых конвейеров пищевой промышленности специальные гигиенические исполнения из нержавеющей стали.
• Частота переключения. На высокоскоростных линиях важна скорость реакции датчика. Стандартные модели переключаются с частотой до 1–5 кГц, специализированные значительно быстрее.

Фотоэлектрические датчики IFM в каталоге

Промышленный фотодатчик купить в каталоге ifm-russia.ru можно в широком ассортименте от компактных диффузных до специализированных лазерных барьеров:

• OG5119 — Датчик диффузного отражения с подавлением заднего фона, M18, нержавеющая сталь. Фиксированное рабочее расстояние независимо от цвета и отражательной способности объекта. Корпус из нержавеющей стали V4A для агрессивных сред и мойки оборудования.
• OGP300 — Рефлекторный датчик M18, для влажной среды. Рефлекторный принцип с надежным обнаружением объектов на дистанции до нескольких метров. Защищенный корпус для применения в условиях высокой влажности.
• O5G501 — Рефлекторный датчик для обнаружения прозрачных объектов. Специализированное решение для стеклянной тары, ПЭТ-бутылок, прозрачной пленки и упаковки. Видимый красный луч упрощает юстировку. Высокая частота переключения для быстрых линий.
• OGS280 — Однолучевой световой барьер M18, металлический корпус. Компактный барьерный датчик для стесненных монтажных условий. Прочный металлический корпус, фиксированная настройка — готов к работе сразу после монтажа.
• OJ5037 — Лазерный барьер с рефлектором для систем сборки и манипулирования. Точное обнаружение мелких объектов лазерным лучом. Компактный корпус для встройки в роботизированные ячейки и сборочные автоматы. Интуитивная настройка чувствительности.

Часто задаваемые вопросы

В чем принципиальное отличие диффузного, рефлекторного и барьерного фотодатчика?

У диффузного датчика излучатель и приемник находятся в одном корпусе, свет возвращается от самого объекта. У рефлекторного — тоже один корпус, но свет отражается от специального рефлектора; объект обнаруживается, когда перекрывает луч на пути к рефлектору. У барьерного излучатель и приемник разнесены и устанавливаются напротив друг друга; объект фиксируется при затемнении прямого луча. По надежности и дальности: диффузный < рефлекторный < барьерный. По простоте монтажа — обратный порядок.

Почему обычный фотодатчик не обнаруживает стеклянные и прозрачные объекты?

Диффузный датчик регистрирует свет, отраженный от поверхности объекта. Прозрачное стекло или пленка пропускают луч насквозь, практически не отражая его обратно — датчик не «видит» объект. Барьерный тоже не поможет: прозрачный объект не перекрывает луч достаточно сильно. Решение — рефлекторный датчик с поляризационным фильтром. Прозрачный объект нарушает поляризацию луча, и датчик регистрирует это изменение, уверенно обнаруживая объект.

Какой фотоэлектрический датчик выбрать для конвейера на пищевом производстве?

Для пищевых производств важны сразу несколько требований: защита IP67/IP69K для мойки горячей водой и моющими средствами, корпус из нержавеющей стали, отсутствие щелей и полостей для накопления загрязнений. По принципу работы чаще всего подходит рефлекторный датчик: не нужно тянуть кабель с двух сторон конвейера, а надежность выше, чем у диффузного. Если нужно считать мелкие объекты на высокой скорости или надежно работать в условиях запыления, выбирают барьерный вариант.