• Produkter
  • Branscher
  • IIoT och lösningar
  • Tjänster
  • Företag

Introduktion till fotoceller

Alla Fotoceller har samma grundläggande komponenter:

  • Hölje – olika former, storlekar och konstruktionsmaterial
  • Grundläggande sensorelement – varierar beroende på teknik, men innefattar alltid ett linssystem
  • Elektronik – utvärderar vad givaren detekterar
  • Elektrisk anslutning – förser kraft och signal(er)

För att tillämpa fotoceller på bästa sätt är det användbart att känna till spektrumet för ljus. Fotoceller från ifm verkar i det synliga (framför allt röda) och infraröda frekvensområdet.

Synligt rött ljus
är den bästa allsidiga ljustypen och rekommenderas för de flesta applikationer. De flesta givare från ifm använder synligt rött ljus.
Fördel Nackdel

Lätt att se på korta avstånd vilket underlättar vid uppställning

Färgberoende på längre avstånd

Infrarött ljus
Fördelar Nackdel

Färgoberoende över större delen av avkänningsräckvidden

Bra val för smutsiga miljöer – det har förmågan att ”bränna genom” damm, dis, ånga etc.

Osynlig för det mänskliga ögat vilket försvårar inställningen

Laserljus
Fördelar Nackdelar

Förmåga att detektera små mål vid långa räckvidder

Liten ljuspunkt möjliggör noggranna kopplingspunkter

Stark röd synlig stråle kan användas som hjälp vid inställning

Laserdioder är i allmänhet dyrare än vanliga lysdioder med synligt rött eller infrarött ljus

Terminologi

Modulerat ljus – ljus som skickas ut pulserar med en frekvens som är unik för varje givarfamilj. Mottagaren är inställd att detektera modulerat ljus på denna frekvens och ignorerar omgivande ljus från andra källor.

Kopplingsfrekvens – maxhastigheten vid vilken en givare levererar diskreta pulser när målet kommer in eller lämnar avkänningsfältet. Enkelt uttryckt innebär det hur snabbt givaren kan koppla till/från när ett mål passerar förbi.

Kontrast – skillnaden i färg och ljusstyrka mellan två föremål. Vitt är den enklaste färgen att detektera och svart är den svåraste att detektera.

Ljuspunkt – diametern hos det transmitterade ljuset på ett givet avstånd. Detta mått visas vanligen på databladet avseende maximal räckvidd och det är en funktion av sändarlinsens öppningsvinkel.

Effektiv ljusstråle – det område hos ljusstrålen som helt måste brytas för att givarens output ska ändra läge. Givare som kopplar när ljusstrålen bryts (dvs. Enkelavkännande- och polariserad reflexgivare har effektiva strålar. Givare som studsar ljus direkt från målet (dvs. Direktavkännande givare har inte effektiva strålar.

Ljusdrift (eller ljus-på) – output ändrar läge när mottagaren detekterar ljus.

Mörkerdrift (eller mörker-på) – output ändrar läge när mottagaren inte detekterar ljus.

Överförstärkning – förhållandet mellan ljusenergin som faktiskt tas emot av givaren och ljusenergin som krävs för att ändra output-läge. Ett förstärkningsvärde på 1 är det lägsta som krävs för att växla output. Alla värden ovanför denna tröskel anses vara överförstärkning. Det är användbart när man bestämmer hur givaren ska användas i smutsiga miljöer.

Maximal överförstärkning som krävs Driftmiljö
1,5X Ren luft: Ingen ansamling av smuts på linser eller reflektorer.
5X Lätt smutsig. Lätt ansamling av damm, smuts, olja, fukt etc. på linser eller reflektorer; linser rengörs regelbundet.
10X Måttligt smutsig: Uppenbar nedsmutsning av linser eller reflektorer, men de är inte täckta; linser rengörs ibland eller vid behov.
50X Mycket smutsig: Kraftig nedsmutsning av linser; tjock dimma, dis, damm, rök eller oljehinna, minimal rengöring av linser

Direktavkännande givare

Även kallade sändar/mottagar-par. Sändaren och mottagaren placeras i separata höljen och monteras mitt emot varandra.Ljus skickas från sändaren och fångas upp av mottagaren.

Utgången ändrar läge när ett mål bryter strålen och berövar mottagaren på ljus.Så länge målet är tillräckligt stort och stabilt för att bryta ljusstrålen kommer färgen, formen, vinkeln, reflexiviteten och ytfinishen inte påverka applikationen.Detta gör dem mer tillförlitliga än diffusa givare som förlitar sig på att ljus reflekterar från målet.

Fördelar Nackdelar
  • Lång avkänningsräckvidd
  • Hög överförstärkning (bästa valet för smutsiga miljöer)
  • Enhetlig effektiv stråle över hela området
  • Tillförlitlig detektering av homogena föremål
  • Ingen ”död zon” utmed hela avkänningsräckvidden
  • Sändaren och mottagaren har separata höljen och därmed separata artikelnummer
  • Båda höljena måste monteras och kabelanslutas vilket ökar installationskostnaden
  • Tack vare sin höga överförstärkning kan sändar/mottagar-givare se genom transparenta och halvtransparenta föremål

Den effektiva strålens diameter är enhetlig och är ungefär lika stor som diametern hos sändarens och mottagarens linser.Så länge målet är minst lika stort som den effektiva strålen kommer output att växla när målet bryter strålen.

Output för ett sändar/mottagar-par:

  • Ljusdrift – output slås på när målet inte är närvarande.
  • Mörkerdrift – output slås på när målet är närvarande.

Överväganden vid installation

När flera sändar/mottagar-par ska monteras bör du se till att den utsända strålen från en givare inte stör andra mottagare.En enkel lösning är att alternera sändare och mottagare enligt bilden.

Ett starkt reflektivt föremål som passerar genom en stråle kan reflektera ljus mot en orelaterad mottagare och orsaka en falsk signal.En enkel lösning är att placera hinder mellan givarna för att blockera oönskade reflektioner.

Eftersom solljus innehåller samma våglängder som sändarna finns det ofta en risk att mycket starkt omgivande ljus kan lura mottagarna.Detta sker vanligen när fotoceller används till automatiska dörröppnare i garage då solljus från en viss vinkel kan störa anordningen.Möjliga lösningar kan exempelvis vara att vinkla givarna, placera ett hinder eller reversera sändare och mottagare.

Polariserad reflexgivare

Sändaren och mottagaren ryms i samma hölje och monteras mittemot en reflektor.Ljus skickas från sändarens lins, studsar från reflektorn och återvänder till mottagarens lins.

Precis som med sändar/mottagar-givare ändrar output läge när ett mål bryter strålen och berövar mottagaren på ljus.Så länge målet är tillräckligt stort och stabilt för att bryta ljusstrålen kommer färgen, formen, vinkeln, reflexiviteten och ytfinishen inte påverka applikationen.Detta gör dem mer tillförlitliga än diffusa givare som förlitar sig på att ljus reflekterar från målet.

Fördelar Nackdelar
  • Medelstor avkänningsräckvidd, eftersom strålens väg är dubbelt så lång som dess motsvarighet hos en sändar/mottagare-givare
  • Ett hölje minskar inköps- och installationskostnader
  • Tillförlitlig detektering av blanka föremål tack vare inbyggt polarisationsfilter
  • Enkel installation av reflektorn
  • Tillförlitlig detektering av massiva och icke-transparenta föremål
  • Ingen ”död zon” utmed hela avkänningsområdet
  • Låg överförstärkning, till och med lägre än hos diffusa givare eftersom det förekommer energiförluster från reflektorn
  • Ej tillförlitlig detektering av transparenta föremål såvida inte ”transparentföremål”-givare används
  • Ej enhetlig diameter hos ljusstrålen

Ljusstrålen hos polariserad reflexgivare är konformad. I närheten av sensorn är strålen ungefär lika stor som sändarens lins.I närheten av reflektorn är den lika stor som reflektorn.Det innebär att mindre föremål kan detekteras när de befinner sig nära sensorn, men inte nödvändigtvis när de är i närheten av mottagaren.

Output för polariserad reflexgivare:

  • Ljusdrift – output slås på när målet inte är närvarande.
  • Mörkerdrift – output slås på när målet är närvarande.

Prismatiska reflektorer krävs för polariserad reflexgivare.Dessa reflektorer roterar genom sin design den inkommande ljusstrålen 90 grader. Givarna är utrustade med polariserande filter över linsen så att ljusvågor riktas åt endast ett håll. Reflektorn roterar ljusvågorna för att matcha riktningen hos filtret på mottagaren.

Blanka föremål kan skicka tillbaka högintensitetsljus till sensorn, men eftersom ljuset inte har rätt riktning orsakar inte dessa mål en falsk signal.

Direktavkännande (Diffusa) givare

Sändaren och mottagaren i en direktavkännande givare ryms i samma hölje. Det utsända ljuset reflekterar tillbaka till sensorn från målet och mottagaren utvärderar det.Det är viktigt att noga överväga målets egenskaper och bakgrunden bakom målet när man väljer den korrekta lösningen för en applikation.Diffusa givare har mycket mindre överförstärkning än sändar/mottagar-par, men vanligtvis mer än givare av typen polariserad retroreflexion.

Känsligheten hos diffusa givare är mycket hög.Utgången växlar om endast 2 % av den utsända ljusenergin reflekteras från målet.

Fördelar Nackdelar
  • Direktavkänning av föremål utan reflektor eller mottagare
  • Lägre inköps- och installationskostnader än sändar/mottagar-givare och polariserad retroreflexionsgivare
  • Kort avkänningsräckvidd
  • Mycket beroende av målets egenskaper som t.ex. färg, textur, storlek och form
  • En reflexiv eller mycket närliggande bakgrund kan förhindra tillförlitlig detektering
  • En högreflexiv bakgrund som t.ex. fönsterglas eller reflextejp för kläder kan orsaka falsk koppling på större avstånd än den avkänningsavstånd som anges

Målets påverkan:

Större föremål reflekterar mer ljus vilket resulterar i större avkänningsavstånd.

Vid användning av givare med synligt rött ljus kan ljusare färger detekteras på längre avstånd än mörkare färger.Målets färg har mycket mindre effekt på infraröda sensorer.Glänsande ytor kan avkännas på längre avstånd än flata eller matta ytor.

Jämna ytor har bättre reflexiva egenskaper än ojämna ytor.Ett mål som utgörs av blå plast med jämn yta reflekterar exempelvis mer ljus än en ett mål med blå sammet.

Mål med flat yta som är vinkelrätt mot sensorn reflekterar mer ljus än vinklade flata mål.Dessutom tenderar icke-flata mål att leda ljus bort från sensorn vilket resulterar i energiförlust och mindre avkänningsavstånd.

Bakgrundsinterferens
En direktavkännande givare detekterar allt ljus som reflekteras in i mottagaren, oavsett källa.Ljus som reflekteras från bakgrunden ter sig likadant som ljus från målet och kan vara särskilt problematiskt när bakgrunden är mer reflexiv än målet samt när målet och bakgrunden är mycket nära varandra.

För att minska detektering av bakgrund:

  1. Modifiera den genom att måla den med en mörk, flat färg.
  2. Ändra sensorns vinkel i förhållande till bakgrunden.
  3. Minska sensorns känslighet för att ”avskärma” bakgrunden.
  4. Använd en direktavkännande givare med inbyggd bakgrundsavbländning.

Bakgrundsavbländad givare

Dessa givare är särskilt utformade direktavkännande givare som eliminerar falsk koppling på bakgrunden bakom målet.Flera olika tekniker blockerar bakgrunden, t.ex.: Fixerad räckvidd, trianguleringsprincip, diod-array, PMD flygtid (time-of-flight)

Fördelar Nackdelar
  • Ingen interferens från bakgrund
  • Direktavkänning av mål utan reflektor eller ytterligare hölje
  • Lägre inköps- och installationskostnader än enkelavkännande-givare och polariserad reflexgivare
  • Färgoberoende versioner är tillgängliga för applikationer med kort räckvidd
  • Mindre räckvidd än vanliga direktavkännande givare
  • Dyrare än vanliga direktavkännande givare
  • Kort avkänningsavstånd
  • Mycket beroende av målets egenskaper som t.ex. färg, textur, storlek och form
  • Kan ha en ”död zon” nära sensorns framsida

Fixerad räckvidd
Positionen för sändarens och mottagarens linser vinklas för att skapa en detekteringszon.Föremål i detekteringszonen reflekterar ljus in i mottagarlinsen och avkänns.Föremål utanför detekteringszonen (antingen för nära eller för långt borta) har inte korrekt geometri för att skicka tillbaka ljus till mottagaren.Denna metod används normalt för korta avstånd och är inte justerbar.

Trianguleringsprincip
Denna teknik använder två mottagarelement för att uppnå bakgrundsavbländning. Genom att använda en potentiometer för justeringar placeras en spegel på mekaniskt vis för att bestämma punkten vid vilken en mottagare detekterar målet och den andra detekterar bakgrunden. Sensorn justeras sedan så att den är halvvägs mellan dessa två punkter.Sensorn utvärderar vinkeln hos det mottagna ljuset för att bestämma om ljuset kommer från målet eller bakgrunden.

Diod-array
Denna metod liknar trianguleringsprincipen förutom att mottagarna utgörs av en 63-diods-array.De ytterligare mottagarna möjliggör noggrann bakgrundsavbländning (dvs. målet och bakgrunden kan vara mycket nära varandra). Diod-arraysensorer är utrustade med en mikroprocessor och programmeras elektroniskt via tryckknappar.

PMD flygtid (time-of-flight)
PMD (Photonic Mixer Device) bestämmer avståndet mellan sensorn och föremålet (och sensorn och bakgrunden) genom att mäta tiden det tar för ljuset att färdas från sensorn till målet och tillbaka igen.

En laserdiod genererar en modulerad laserstråle.Ljuset som reflekteras av målet riktas mot ett fotokänsligt chip (PMD Smart Pixel) via en lins.Därefter jämför chippet de inkommande ljusvågorna och drar slutsatser om avståndet till målet.

Diagram of sensor using time of flight technology

Ljusvågor fortplantas från laserljuskällan. När ljuset studsar från målet skiftar fasmönstret och fasskiftningen är direkt proportionellt mot avståndet.

Denna proprietära teknik erbjuder:

  • Robust detektering av små reflexiva mål
  • Snabb installation tack vare oberoende av färg och vinkel
  • Information om uppmätt avstånd via IO-Link

Laseravståndsgivarna ODG, O1D, O5D och OID från ifm använder alla denna teknik.