Въведение във фотоелектричните сензори

За да използвате най-добре фотоелектричните сензори, е полезно да разбирате спектъра на електромагнитното излъчване. Фотоелектричните сензори на ifm работят във видимия (предимно червения) и инфрачервения честотен диапазон.

Видимата червена светлина
е най-добрият „многостранен“ тип светлина и се препоръчва за повечето приложения. По-голямата част от ifm сензорите използват видима червена светлина.
Предимство Недостатък

Лесна регистрация при малки диапазони, което ги прави полезни като помощно средство за настройка

Зависимост от цвета при големи диапазони

Инфрачервена светлина
Предимства Недостатък

Без зависимост от цвета в по-голямата част от диапазона на регистриране

Добър избор за замърсена околна среда – има възможност за „проникване“ през прах, мъгла, пара и др.

Невидим за човешкото око, което прави настройката по-трудна

Лазерна светлина
Предимства Недостатъци

Възможност за регистриране на малки обекти в големи диапазони

Малката светлинна точка дава възможност за реализиране на прецизни точки на превключване

Видимият червен лъч може да се използва като помощно средство за настройка

Обикновено лазерните светодиоди са по-скъпи от стандартните светодиоди за видима или инфрачервена светлина

Терминология

Модулирана светлина – излъчваната от трансмитера светлина е с честота на импулсите, която е уникална за всяка фамилия сензори. Приемникът е настроен да регистрира модулираната с тази честота светлина и да игнорира околната светлина от други източници.

Честота на превключване – максималната скорост, с която сензорът ще подава дискретни импулси, когато целта влиза в и излиза от полето на регистрация.Просто казано, тя показва колко бързо може да включва и изключва сензорът при преминаване на целта.

Контраст – Разликата в цвета и яркостта между два обекта. Бялото е най-лесният цвят за регистриране, а черното е най-трудният.

Петно на лъча (или светлинна точка) – диаметърът на предаваната светлина на дадено разстояние. Този размер обикновено се посочва в листовете с данни при максималното разстояние и е функция на ъгъла и апертурата на лещата на трансмитера.

Ефективен лъч – площта на светлинния лъч, която трябва да бъде прекъсната изцяло, за да промени състоянието си изходът на сензора.Сензорите, които превключват при прекъсване на лъча (т.е. тези от бариерен тип и поляризираните ретро-рефлекторни сензори) имат ефективни лъчи.Сензорите , които получават отразена светлина директно от целта (т.е., дифузните сензори), нямат ефективни лъчи.

Задействане от светлина (или от включване на светлина) – изходът променя състоянието си, когато приемникът регистрира светлина.

Задействане от тъмнина (или липса на светлина) – изходът променя състоянието си, когато приемникът не регистрира светлина.

Прекомерен коефициент на усилване – отношението на действително приеманата от сензора светлинна енергия към необходимата за промяна на състоянието на изхода светлинна енергия.Стойност на коефициента на усилване 1 е минимално необходимата за превключване на изхода.Всичко над това гранично ниво се приема за прекомерен коефициент на усилване.Той е полезен за определяне на правилната работа на сензора в замърсени зони.

Максимален необходим експлоатационен резерв Работна среда
1.5X Чист въздух: Върху лещите или рефлекторите не се натрупват замърсявания.
5X Леко замърсяване. Върху лещите или рефлекторите се натрупва малко количество прах, замърсяване, масло, влага и др.; лещите се почистват редовно.
10X Умерено замърсяване: Очевидно замърсяване на лещите или рефлекторите, но не са затъмнени; лещите се почистват от време на време или когато е необходимо.
50X Много голямо замърсяване: Много силно замърсяване на лещите; гъста мъгла, мъгла, прах, дим или маслен слой, минимално почистване на лещите

Бариерен тип светлинни сензори

Предимства Недостатъци
  • Голям диапазон на регистриране
  • Голямо експлоатационен резерв (най-добрият избор за замърсена околна среда)
  • Еднакво ефективен лъч в целия диапазон
  • Надеждно откриване на непрозрачни обекти
  • В целия диапазон на регистриране няма „мъртва зона“
  • Предавателят и приемникът са с отделни корпуси и затова са с отделни каталожни номера
  • Двата корпуса трябва да се монтират и свържат, което увеличава разходите за монтаж
  • Поради техния голям експлоатационен резерв, бариерния тип светлинни сензори „виждат“ през прозрачни и полупрозрачни обекти

Ефективният лъч е с еднакъв диаметър, който е приблизително равен на диаметъра на лещите на предавателя и приемника.Когато целта е най-малко с размера на ефективния лъч, изходът ще се превключва, когато целта прекъсне лъча.

Изходи за бариерните двойки:

  • Задействаните от светлината изходи се включват, когато целта липсва.
  • Задействаните от тъмнина изходи се включват, когато има цел .

Съображения за монтаж

Когато монтирате множество бариерни двойки, се погрижете предаваният лъч на даден сензор да не внася смущения в приемниците на другите сензори.Просто решение е да се редуват предаватели и приемници по показания начин.

Пресичащ лъча обект с голяма отражателна способност може да отрази светлина към приемник, който няма отношение, чрез което да се генерира фалшив сигнал.Просто решение е поставянето на бариери между сензорите, за да се блокират разсеяните отражения.

Понеже слънчевата светлина съдържа същите дължини на вълната, като при фотоелектричните излъчватели, много ярката околна светлина често „лъже“ приемниците.Това се среща обикновено, когато се използват фотоелектрични сензори в устройства за отваряне на домашни гаражни врати, и под определен ъгъл слънчевата светлина може да попречи на работата на вратата.Възможни решения за преодоляване на проблема включват поставяне на сензорите под ъгъл, добавяне на бариера или разменяне на местата на предавателя и приемника.

Поляризирани ретро-рефлекторни сензори

Предимства Недостатъци
  • Среден диапазон на регистриране, понеже пътят на лъча е два пъти по-дълъг в сравнение с бариерния тип
  • Общият корпус намалява разходите за покупка и монтаж
  • Надеждно регистриране на лъскави предмети поради вградените поляризационни филтри
  • Лесен монтаж на отражателя
  • Надеждно регистриране на матови и непрозрачни обекти
  • В целия диапазон на регистриране няма „мъртва зона“
  • Малък експлоатационен резерв, по-малък дори от този при дифузните сензори, понеже има загуби на енергия в отражателя
  • Ненадеждно регистриране на прозрачни обекти, освен при използване на специални модели за „прозрачни обекти“
  • Нееднороден ефективен диаметър на лъча

Ефективният лъч е от поляризирани ретро-отражателни сензори и е с конична форма. Близо до сензора лъчът е с размер, близък до размера на лещата на предавателя.Близо до отражателя той е с размера на отражателя.Това означава, че могат да се регистрират по-малки обекти, когато са по-близо до сензора, но не е сигурно, когато бъдат близо до приемника.

Изходи за поляризирани ретро-рефлекторни сензори:

  • Задействаните от светлината изходи се включват, когато целта липсва.
  • Задействаните от тъмнина изходи се включват, когато има цел .

За поляризираните отражателни сензори са необходими призматични отражатели.Поради тяхната конструкция тези отражатели завъртат постъпващия лъч на 90 градуса. Сензорите са оборудвани с поляризирани филтри върху лещите, така че светлинните вълни се ориентират само в една посока.Отражателят завърта светлинните вълни така, че да съвпаднат с ориентацията на филтъра на приемника.

Блестящите обекти могат да върнат светлина с голям интензитет към сензора, но понеже светлината не е правилно ориентирана, блестящите обекти няма да генерират фалшив сигнал.

Дифузни сензори

Предимства Недостатъци
  • Директно регистриране на обекти, без да са необходими отражател или втори корпус
  • По-малки разходи за покупка и монтаж, отколкото при тези от бариерен тип и поляризираните ретро-рефлекторни сензори
  • Малък диапазон на регистриране
  • Висока чувствителност по отношение на характеристики на целта, като цвят, текстура, размер и форма
  • Отразяващ или много близък фон може да възпрепятства надеждното регистриране
  • Фон с голяма отражателна способност, като стъкло на прозорец или сигнализационна лента върху дрехи може да генерира погрешни сработвания на по-голямо разстояние от посочения диапазон на регистриране

Влияния на обекта:

По-големите обекти отразяват повече светлина, което води до получаване на по-голям диапазон на регистриране.

При сензорите с видима червена светлина по-светлите цветове могат да се регистрират на по-голям диапазон от по-тъмните цветове.Цветът на обекта има много по-малко влияние при инфрачервените сензори.Блестящите повърхности могат да се регистрират на по-голям диапазон, отколкото матовите или матираните повърхности.

Гладките повърхности са с по-добри отражателни качества от грапавите повърхности.Гладка синя пластмасова цел, например, ще отразява повече светлина от синя кадифена цел.

Плоски обекти, перпендикулярни на сензора, ще отразяват повече светлина, отколкото плоски обекти под ъгъл.Така също обектите, които не са матирани, обикновено отразяват светлината настрани от сензора, което води до загуба на енергия и диапазон на регистриране.

Смущения от фона
Дифузният сензор регистрира цялата отразена към приемника светлина, независимо от източника.Светлината, която се отразява от фона, е същата като светлината от обекта и създава проблеми тогава, когато фонът е с по-голяма отражателна способност от обекта и когато целта и фонът са на много малко разстояние.

За да намалите регистрирането на фона:

  1. Променете го, като го боядисате с тъмна, матова боя.
  2. Променете ъгъла на сензора по отношение на фона.
  3. Намалете чувствителността на сензора за „да не реагира“ на фона.
  4. Използвайте дифузен сензор с вградено потискане на фона.

Сензори с потискане на фона

Предимства Недостатъци
  • Няма смущения от фона
  • Директно регистриране на целта без отражател и допълнителен корпус
  • По-малки разходи за покупка и монтаж, отколкото при тези от бариерен тип и поляризираните ретро-рефлекторни сензори
  • Има независими от цвета версии за приложение с малки диапазони
  • По-малък диапазон от този на стандартните дифузни сензори
  • По-скъпи от стандартните дифузни сензори
  • Малък диапазон на регистриране
  • Висока чувствителност по отношение на характеристики на целта, като цвят, текстура, размер и форма
  • Може да има „мъртва зона“ близо до лицевата част на датчика

Фиксиран диапазон
Предавателят и приемникът са разположени под ъгъл за създаване на зона на регистриране.Обектите в зоната на регистриране отразяват светлина в лещата на приемника и се регистрират.Обектите извън зоната на регистриране (които са прекалено близо или прекалено далече) нямат правилната геометрия, за да върнат светлина към приемника.Този метод се използва обикновено за малък диапазон и не може да се регулира.

Принцип на триангулацията
При тази технология се използват два приемащи елемента за реализиране на потискане на фона.С помощта на потенциометър за регулиране се извършва позициониране на огледало, за да се определи точката, където единият приемник регистрира целта, а другият регистрира фона.След това сензорът се регулира на половината разстояние между тези две точки.Сензорът оценява ъгъла на приеманата светлина, за да определи дали светлината идва от целта или от фона.

Диодна матрица
Този метод е подобен на принципа на триангулацията, с тази разлика, че приемниците са 63-диодна матрица.Допълнителните приемници дават възможност за прецизно потискане на фона (т.е., целта и фонът могат да се намират на много малко разстояние).Сензорите с диодна матрица са оборудвани с микропроцесор и се програмират по електронен път чрез бутони.

Измерване на времето за изминаване на разстоянието с технология PMD
PMD (Фотонен смесител) определя разстоянието между сензора и обекта (и между сензора и фона) чрез измерване на времето, което е необходимо на светлината да измине разстоянието от сензора до обекта и обратно.

Лазерен диод генерира модулиран лазерен лъч.Отразената от обекта светлина се насочва чрез леща към фоточувствителен чип (PMD Smart Pixel).След това чипът сравнява постъпващите светлинни вълни и прави заключение за разстоянието до обекта.

Diagram of sensor using time of flight technology

Светлинните вълни се разпространяват от лазерния източник на светлина. Когато светлината се отрази от целта, фазовото изображение се измества и изместването е правопропорционално на разстоянието.

Тази собствена технология осигурява:

  • Стабилно регистриране на малки отражателни обекти
  • Бърз монтаж поради липсата на зависимост от цвета и ъгъла
  • Подаване на информация за разстоянието чрез IO-Link

Тази технология се използва във всички лазерни сензори за разстояние на ifm – ODG, O1D, O5D и OID.