הבנת חיישנים פוטואלקטריים
א חיישן פוטואלקטרי הוא מכשיר זיהוי אופטי המשלב מקור אור — נורית LED, לייזר או משדר אינפרא-אדום — עם גלאי אור, כדי לזהות נוכחות, היעדרות או מיקום של אובייקט או סימן באמצעות העברת אור, החזרה או הפרעה. בעבודה עם מכונות מסתובבות, חיישנים אלה משמשים לרוב כ טכומטרים: הם מזהים תכונה של הפיר פעם אחת בכל סיבוב כדי למדוד את המהירות, ומספקים את פולס התזמון של פעם אחת בכל סיבוב, אשר מספק שָׁלָב הפניה ל- מְאַזֵן, ולספק מפתח-פאזור פונקציונליות למערכות הגנה על ציוד חיוני.
היתרונות שלהם טמונים בפעולה ללא מגע, בתגובה מהירה ביותר, בחסינות לשדות מגנטיים וביכולת לזהות חומרים לא ברזליים. שילוב זה הופך אותם לכלי חישה רב-תכליתיים של מהירות ומיקום המתאימים כמעט לכל סוג של ציוד מסתובב — ומהווה את הבסיס ל- מד-מהירות אופטיים and טכומטרים לייזר המשמש בערכות איזון ניידות.
1. מצבי פעולה
חיישנים פוטואלקטריים מגיעים בשלושה סוגי תצורות חישה, הנבדלים זה מזה במיקום המשדר והמקלט ובאופן שבו המטרה משפיעה על מסלול האור.
קרן עוברת (מצב מנוגד)
מקור האור והמקלט ממוקמים במארזים נפרדים הפונים זה אל זה, והזיהוי מתבצע כאשר המטרה חוסמת את קרן האור החוצה את המרווח. טווח הפעולה ארוך — ניתן להגיע למרחק של מטרים — והאמינות היא הגבוהה ביותר מבין כל המצבים, שכן הוא העמיד ביותר בפני לכלוך וסטיות ביישור. שימושים אופייניים כוללים ספירת להבים וזיהוי עצמים על מסועים.
מצב מחזיר אור
המשדר והמקלט חולקים מארז אחד, כאשר מולו מותקן מחזיר אור; היעד מזוהה כאשר הוא חוסם את נתיב האור המוחזר. טווח הפעולה בינוני (מספר מטרים) וההתקנה החד-צדדית נוחה, מה שהופך את המערכת למתאימה לספירת חלקים ולזיהוי עצמים גדולים יותר.
מצב החזרה מפוזרת — הבחירה הנפוצה למדידת מהירות
גם כאן המשדר והמקלט חולקים מארז משותף, אך במקרה זה החיישן קולט אור המוחזר ישירות ממשטח היעד. הטווח קצר — בדרך כלל 5–500 מ"מ — וההגדרה היא פעולה פשוטה של "כוון וזיהוי". זהו המצב המשמש לזיהוי סרט מחזיר אור למדידת מהירות ושלב, והעיקרון שעליו פועלים מד-מהירות לייזר.
2. יישומים בתחום ניטור הרטט
בתוך ניתוח רטט אותו חיישן ממלא מספר תפקידים שונים:
- מדידת מהירות: על ידי זיהוי סרט מחזיר אור או תוואי פיר פעם אחת בכל סיבוב וספירת הפולסים, המכשיר מחשב סל"ד, עוקב אחר המהירות באופן רציף, ומאמת אותה במהלך המדידות.
- התייחסות לשלב: הדופק המופיע פעם אחת בכל סיבוב מגדיר את נקודת הייחוס של 0°, שהיא חיונית לחישובי האיזון, ומאפשרת ביצוע מדידות עם נעילת פאזה וסנכרון מעקב אחר הזמנות.
- פונקציית קיפאזור: חיישן פוטואלקטרי המותקן באופן קבוע יכול לשמש כ-keyphasor, המזהה סימן על הפיר, חריץ או תכונה בכל סיבוב, כדי לספק את התייחסות הפאזה ל- בדיקת קרבה מערכות — חיוניות לניטור מכונות טורבו בתנאים של אפי 670.
- הפעלת אירוע: הדופק יכול להפעיל איסוף נתונים במיקום מסוים של הפיר, להפעיל סטרובוסקופ לצפייה בתנועה מוקפאת, או לסנכרן את המדידות עם הסיבוב בדרך אחרת.
3. מפרטים חשובים
שלושה פרמטרים קובעים אם חיישן יפעל כראוי בהתקנה נתונה.
- זמן תגובה: בין מיקרו-שניות למילי-שניות, הוא חייב להיות מהיר מספיק כדי להתמודד עם המהירות הגבוהה ביותר שנמדדה. פיר המסתובב ב-10,000 סיבובים לדקה עובר את הסימון שלו בקצב של כ-167 הרץ, ולכן דרוש פולס נקי עם זמן תגובה הנמוך ממילי-שנייה.
- טווח זיהוי: לכל דגם יש טווח מרחק פעולה מינימלי ומקסימלי, המשתנה בהתאם לרמת ההחזרה של המטרה; חיישנים במצב מפוזר פועלים בדרך כלל בטווח של 50–300 מ"מ.
- מקור האור: אדום בולט (630–670 ננומטר) קל לכוון; אינפרא-אדום (850–950 ננומטר) מתפקד טוב יותר בתנאי תאורה סביבתית חזקה; א לייזר מספק קרן ממוקדת היטב, טווח ארוך יותר והפעלה מדויקת יותר.
4. התקנה והגדרה
הפעלה אמינה היא בעיקר עניין של התקנה נכונה. יש לכוון את החיישן בניצב למשטח המשתקף כדי להשיג את האות החזק ביותר, יש למקם את המכשיר במרחק המצוין במפרט, להרכיב אותו באופן קשיח כך שתנודות לא יסיטו את הכיוון שלו, ולהגן עליו מפני נזק מכני. גם למטרה עצמה יש חשיבות רבה לא פחות: יש להדביק סרט מחזיר אור במיקום מתאים על משטח פיר נקי, ולהקפיד שיהיה בדיוק סימן אחד לכל סיבוב (תכונה רפלקטיבית שנייה גורמת לספירה כפולה), וודאו שהסימון מאובטח ולא יעוף במהירות. לבסוף, כוונו את המכשיר לעבר הסימון, עקבו אחר נורית ה-LED של החיישן כדי לוודא שהאות יציב, נעלו את המיקום, ובצעו סיבוב מלא כדי לוודא שהזיהוי אמין לפני שתסתמכו על הקריאה.
5. יתרונות
לעיקרון האופטי ללא מגע יש מספר יתרונות:
- ללא מגע מכני: ללא חיכוך או עומס על הפיר, ללא בלאי, פעולה בטוחה ללא חלקים מסתובבים, וניתן לשימוש בכל מהירות.
- עצמאות כלכלית: הוא מתאים הן למתכות ברזליות והן למתכות לא ברזליות, כמו גם לפלסטיק, חומרים מרוכבים ועץ — כל מה שנדרש לו הוא ניגודיות אופטית.
- תגובה מהירה וברורה: מתאים ליישומים במהירות גבוהה, ומייצר פולסים דיגיטליים חדים עם תזמון מדויק.
6. מגבלות
אותו עיקרון אופטי מטיל מספר מגבלות שכדאי לקחת בחשבון בתכנון:
- רגישות סביבתית: אור סביבתי חזק עלול להפריע, ואילו אבק וערפל שמן על האופטיקה פוגעים בביצועים, ולכן יש לנקות את העדשה מעת לעת, ובסביבות קשות ייתכן שיהיה צורך במארז מגן.
- היישור הוא קריטי: החיישן חייב להישאר מכוון אל המטרה, ותנודות או תזוזות עלולות להסיט אותו ממקומו — סיבה נוספת לצורך בהתקנה יציבה.
- תלות ביעד: חייב להיות סימן או חפץ מחזיר אור, שינויים ברמת ההחזרה משפיעים על הקריאה, והסרט עלול להתקלף עם הזמן.
כאשר לא ניתן להשתמש בראש קריאה אופטי קבוע, מהנדסים פונים לעתים קרובות לחלופות לא אופטיות כגון חיישן קרבה (זרמי מערבולת) קריאת חריץ מפתח, שאינה מצריכה שימוש בסרט הדבקה ואינה מושפעת מלכלוך או מאור.
7. חיישנים פוטואלקטריים באיזון שדה מעשי
במכשיר נייד, מד מהירות לייזר מסוג "החזרה מפוזרת" הוא אמצעי הקליטה הסטנדרטי דווקא משום שאינו מצריך הכנה מיוחדת של הפיר, מלבד רצועת סרט הדבקה. ה- באלאנסט-1א מגיע עם מד מהירות לייזר אופטי מסוג זה בדיוק: הוא מופעל על ידי פיסת סרט מחזיר אור קטנה, פועל בטווח מרחק רחב, ומספק את הדופק החד-פעמי לכל סיבוב הדרוש לתוכנה כדי לחשב את עוצמתו וזוויתו של כל משקל תיקון וכדי לאמת את חוסר איזון שיורי לאחר התיקון. בקיצור, התגובה המהירה של החיישן הפוטואלקטרי, אי-תלותו בסוג החומר והפעולה ללא מגע הופכות אותו למד סל"ד אידיאלי, המשלים את ה מדי תאוצה במערכת מלאה לניטור מצב ואיזון.
