You probably do not come from: Switzerland.  If necessary, change to: United States

Introduzione alle fotocellule

Tutte le fotocellule hanno gli stessi componenti di base:

  • Corpo di diverse forme, dimensioni e materiali
  • Elemento sensibile di base che varia in base alla tecnologia; tuttavia ha sempre un sistema di lenti
  • Elettronica che valuta ciò che il sensore rileva
  • Alimentazione elettrica per corrente e segnale

Per utilizzare al meglio le fotocellule, occorre capire lo spettro della radiazione elettromagnetica. Le fotocellule di ifm funzionano in un campo di frequenza visibile (luce rossa) e infrarosso.

Luce rossa visibile
La miglior tipologia di luce "attualmente disponibile", consigliata per la maggior parte delle applicazioni. La maggior parte dei sensori di ifm utilizza luce rossa visibile.
Vantaggi Svantaggi

Facile da vedere a breve distanza, facilita la messa in funzione

Dipende dal colore a grande distanza

Luce infrarossa
Vantaggi Svantaggi

Indipendente dal colore per gran parte della portata

Buona scelta per ambienti sporchi; è in grado di passare attraverso polvere, nebbia, vapore ecc.

Invisibile all'occhio umano, quindi la configurazione è più difficile

Luce laser
Vantaggi Svantaggi

Capacità di rilevare oggetti piccoli a grande distanza

Un piccolo punto luminoso consente punti di commutazione esatti

Il raggio luminoso rosso visibile può essere utile per l'impostazione

I LED laser sono di solito più costosi dei LED standard visibili con luce rossa o infrarossa

Terminologia

Luce modulata: la luce trasmessa dall'emettitore viene pulsata con una frequenza univoca per ogni famiglia di sensori. Il ricevitore è impostato per rilevare la luce modulata su questa frequenza e ignorare la luce ambientale proveniente da altre sorgenti.

Frequenza di commutazione: velocità massima alla quale un sensore fornisce singoli impulsi non appena l'oggetto si muove nel campo di rilevamento e lo abbandona. In breve, indica quanto rapidamente possa attivarsi e disattivarsi il sensore al passaggio di un oggetto.

Contrasto: la differenze di colore e luminosità tra due oggetti. Il bianco è il colore più facile da rilevare, il nero quello più difficile.

Punto luminoso: il diametro del punto luminoso trasmesso a una distanza definita. Questa misura è normalmente indicata nella scheda tecnica con massima portata ed è una funzione dell'angolo di apertura dell'emettitore.

Sistema ottico efficace: il raggio di luce emesso dal sensore deve essere completamente interrotto affinché commuti l'uscita del sensore. I sensori che commutano quando il raggio di luce viene interrotto (ad es. fotocellule a barriera e fotocellule reflex polarizzate) sono i sistemi più sicuri.I sensori a riflessione diretta (es. fotocellule a riflessione diretta) rilevano l'oggetto ma possono essere influenzati dal colore, dalla dimensione e dal tipo di superficie dell'oggetto.

Commutazione impulso luce: l'uscita cambia il suo stato non appena il ricevitore rileva la luce.

Commutazione impulso buio: l'uscita cambia il suo stato non appena il ricevitore non rileva luce.

Riserva nell'esercizio: il rapporto tra l'energia luminosa realmente ricevuta dal sensore e l'energia luminosa necessaria per cambiare lo stato dell'uscita. Un valore operativo di 1 è il minimo richiesto per commutare l'uscita. Qualsiasi valore sopra questo limite viene considerato capacità di riserva. Serve per determinare la funzione corretta del sensore in aree contaminate.

Massima capacità di riserva richiesta Ambiente operativo
1.5X Aria pura: nessuna presenza di sporco su lenti o riflettori.
5X Sporco leggero. Presenza di polvere, sporco, olio, umidità ecc. su lenti e riflettori; le lenti vengono pulite ad intervalli regolari.
10X Sporco moderato. Sporco evidente su lenti e riflettori che non sono tuttavia oscurati. Le lenti vengono pulite occasionalmente o se necessario.
50X Sporco intenso. Sporco pesante delle lenti, offuscamento, strato di polvere, fumo o olio. Minima pulizia delle lenti.

Fotocellule a barriera

Note anche come fotocellule a barriera o coppia di fotocellule unidirezionali. L'emettitore e il ricevitore sono in corpi separati e vengono montati l'uno di fronte all'altro. La luce viene emessa dalla lente dell'emettitore e ricevuta dalla lente del ricevitore.

L'uscita cambia il suo stato non appena il raggio di luce viene interrotto dall'oggetto e al ricevitore non arriva più la luce. Fintanto che l'oggetto è abbastanza grande e di materiale spesso da interrompere il raggio efficace, l'applicazione non sarà influenzata da colore, forma, angolo, riflessione e aspetto superficiale. Questo le rende più affidabili delle fotocellula a riflessione diretta che dipendono dalla riflessione della luce dall'oggetto.

Vantaggi Svantaggi
  • Grande portata
  • Alta capacità di riserva (ottima scelta per ambienti sporchi)
  • Raggio di luce uniforme per tutto il campo
  • Rilevamento affidabile di oggetti opachi
  • Nessuna "zona morta" per tutta la portata
  • L'emettitore e il ricevitore hanno corpi separati e quindi codici separati
  • Entrambi i corpi devono essere montati e cablati causando un aumento dei costi di installazione
  • A causa dell'alta capacità di riserva, le fotocellule a barriera rilevano attraverso gli oggetti trasparenti e semitrasparenti

Il raggio di luce ha un diametro uniforme che corrisponde all'incirca al diametro delle lenti dell'emettitore e del ricevitore. Purché l'oggetto sia grande almeno quanto il raggio di luce, l'uscita viene attivata non appena il raggio viene interrotto dall'oggetto.

Uscite per una coppia di fotocellule unidirezionali:

  • Le uscite per commutazione impulso luce vengono attivate se l'oggetto non è presente
  • Le uscite per commutazione impulso buio vengono attivate se l'oggetto è presente.

Considerazioni per l'installazione

Installando diverse coppie di fotocellule a barriera assicurarsi che il raggio di luce trasmesso da un sensore non interferisca con gli altri ricevitori. Una semplice soluzione è alternare emettitori e ricevitori come illustrato.

Un oggetto molto riflettente, che si muove attraverso un raggio, può riflettere la luce ad un ricevitore non correlato e provocare così un segnale errato. Una semplice soluzione è posizionare barriere tra i sensori per bloccare qualsiasi riflessione diffusa.

Poiché la luce solare ha le stesse lunghezze d'onda luminosa dei sensori ottici, una luce ambientale molto chiara può influenzare spesso i ricevitoriCiò si può osservare comunemente quando i sensori ottici vengono utilizzati per l'apertura della porta del garage di casa e i raggi del sole ad un certo angolo di incidenza possono interferire sul funzionamento della porta. Questo problema può essere risolto con uno spostamento angolare dei sensori, aggiungendo una barriera o scambiando emettitore e ricevitore.

Fotocellule reflex polarizzate

L'emettitore e il ricevitore sono in un unico corpo che viene montato di fronte ad un riflettore. La luce viene emessa dalla lente dell'emettitore, colpisce il riflettore e viene riflessa alla lente del ricevitore.

Come per le fotocellule a barriera, l'uscita cambia il suo stato non appena il raggio di luce viene interrotto dall'oggetto e il ricevitore non rileva più la luce. Fintanto che l'oggetto è abbastanza grande e di materiale spesso da interrompere il raggio di luce, l'applicazione non sarà influenzata da colore, forma, angolo, riflessione e aspetto superficiale. Questo le rende più affidabili delle fotocellula a riflessione diretta che dipendono dalla riflessione della luce dall'oggetto.

Vantaggi Svantaggi
  • Portata media poiché il percorso del raggio è il doppio più lungo di quello della relativa fotocellula a barriera
  • Minimi costi per acquisto e montaggio grazie al corpo unico
  • Rilevamento affidabile di oggetti lucidi grazie al filtro di polarizzazione integrato
  • Facile installazione del riflettore
  • Rilevamento affidabile di oggetti opachi e non trasparenti
  • Nessuna "zona morta" per tutta la portata
  • Minima capacità di riserva, addirittura inferiore rispetto a quella delle fotocellule a riflessione diretta, dovuta alle perdite di energia del riflettore
  • Rilevamento inaffidabile di oggetti trasparenti a meno che non si usino "modelli chiari degli oggetti"
  • Diametro non uniforme del raggio di luce

Il raggio di luce della fotocellula reflex polarizzata è a forma di cono. Vicino al sensore, il raggio è grande quasi quanto la lente dell'emettitore. Vicino al riflettore, invece, ha la dimensione del riflettore. Ciò significa che gli oggetti più piccoli possono essere rilevati se si trovano vicino al sensore ma non necessariamente nelle vicinanze del ricevitore.

Uscite per fotocellule reflex polarizzate:

  • Le uscite per commutazione impulso luce vengono attivate se l'oggetto non è presente
  • Le uscite per commutazione impulso buio vengono attivate se l'oggetto è presente.

I riflettori prismatici sono necessari per le fotocellule reflex polarizzate. Grazie al loro design, questi riflettori ruotano il raggio di luce in entrata di 90°. I sensori sono dotati di filtri di polarizzazione sopra le lenti così che le onde luminose si muovono in un'unica direzione. Il riflettore inverte le onde luminose adeguandole all'orientamento del filtro sul ricevitore.

Gli oggetti lucidi possono riflettere luce molto intensa al sensore; tuttavia, dato che la luce non è orientata correttamente, gli oggetti lucidi non generano segnali errati.

Fotocellule a riflessione diretta

Emettitore e ricevitore di una fotocellula a riflessione diretta si trovano nello stesso corpo. La luce emessa viene riflessa dall'oggetto al riflettore e analizzata dal ricevitore. È importante tener conto delle proprietà dell'oggetto e dello sfondo dietro l'oggetto al momento di scegliere la soluzione giusta per un'applicazione. Le fotocellule a riflessione diretta hanno una capacità di riserva molto più bassa delle fotocellule a barriera ma, di solito, più alta di quella delle fotocellule reflex polarizzate.

Le fotocellule a riflessione diretta hanno una sensibilità molto elevata. Il 2% dell'energia luminosa trasmessa, che viene riflessa dall'oggetto, è sufficiente per provocare una commutazione dell'uscita.

Vantaggi Svantaggi
  • Rilevamento diretto di oggetti senza necessità di un riflettore o di un altro corpo
  • Minimi costi per acquisto e montaggio rispetto alle fotocellule a barriera e alle fotocellule reflex polarizzate
  • Piccola portata
  • Fortemente dipendenti dalle proprietà dell'oggetto, ad es. colore, struttura, dimensione e forma
  • Uno sfondo riflettente o molto vicino può impedire un rilevamento affidabile
  • Uno sfondo molto riflettente, ad es. il vetro di una finestra o la pellicola reflex su un capo di abbigliamento può causare attivazioni errate a distanza maggiore della portata indicata

Interferenze del target:

Gli oggetti più grandi riflettono più luce; il risultato è una portata più grande.

Con i sensori a luce rossa visibile, i colori più chiari possono essere rilevati con una portata più grande rispetto ai colori scuri. Il colore dell'oggetto influisce in misura minore sui sensori a infrarossi. Le superfici lucide possono essere rilevate con una portata superiore rispetto a quella per superfici opache.

Le superfici lisce hanno una migliore capacità di riflessione rispetto alle superfici ruvide. Un oggetto blu liscio di plastica riflette, ad esempio, più luce di un oggetto blu in velluto.

Gli oggetti piatti, perpendicolari al sensore, riflettono più luce rispetto a quelli piatti disposti ad angolo. Inoltre gli oggetti che non sono piatti tendono a deviare la luce dal sensore; il risultato è una perdita di energia e una portata inferiore.

Interferenze dello sfondo
Una fotocellula a riflessione diretta rileva tutta la luce riflessa sul ricevitore, indipendentemente dalla sorgente luminosa. La luce riflessa dallo sfondo pare essere la stessa di quella riflessa dall'oggetto; ciò è particolarmente fastidioso se lo sfondo riflette più dell'oggetto e se l'oggetto e lo sfondo sono molto vicino l'uno all'altro.

Per ridurre il rilevamento dello sfondo:

  1. Dipingerlo con un colore scuro unito
  2. Modificare l'angolo del sensore rispetto allo sfondo
  3. Ridurre la sensibilità del sensore per sopprimere lo sfondo
  4. Utilizzare una fotocellula a riflessione diretta con soppressione dello sfondo integrata

Sensori con soppressione dello sfondo

Questi sensori sono fotocellule a riflessione diretta specificamente progettate, le quali impediscono attivazioni errate dovute allo sfondo dietro l'oggetto. Diverse tecnologie sopprimono gli sfondi, ad es. portate fisse, principio di triangolazione, linea di diodi, tempo di volo PMD.

Vantaggi Svantaggi
  • Nessuna interferenza dallo sfondo
  • Rilevamento diretto dell'oggetto senza riflettore o corpo aggiuntivo
  • Minimi costi per acquisto e montaggio rispetto alle fotocellule a barriera e alle fotocellule reflex polarizzate
  • Varianti indipendenti dal colore per applicazioni con brevi portate
  • Portata inferiore rispetto alle fotocellule a riflessione diretta standard
  • Più costosi delle fotocellula a riflessione diretta standard
  • Piccola portata
  • Fortemente dipendenti dalle proprietà dell'oggetto, ad es. colore, struttura, dimensione e forma
  • Potrebbe esserci una "zona morta" vicino alla superficie attiva del sensore

Portate fisse
La lente dell'emettitore e quella del ricevitore sono posizionate ad angolo per creare un campo di rilevamento. Gli oggetti nel campo di rilevamento riflettono la luce nella lente del ricevitore e vengono rilevati. Gli oggetti fuori dal campo di rilevamento (troppo vicini o troppo lontani) non hanno la geometria necessaria per riflettere la luce per il ricevitore. Questa procedura viene utilizzata in generale per brevi portate e non può essere adattata.

Principio di triangolazione
Questa tecnologia utilizza due ricevitori per la soppressione dello sfondo. Utilizzando un potenziometro per le impostazioni, viene posizionato uno specchio meccanicamente per determinare il punto sul quale un ricevitore rileva l'oggetto mentre l'altro rileva lo sfondo. Il sensore viene configurato a metà tra questi due punti. Il sensore misura l'angolo della luce incidente per determinare se la luce proviene dall'oggetto o dallo sfondo.

Linea di diodi
Questo metodo è simile al principio di triangolazione, ad eccezione dei ricevitori; qui infatti si tratta di una linea di 63 diodi. I ricevitori supplementari permettono un'esatta soppressione dello sfondo (ossia l'oggetto e lo sfondo possono essere molto vicini l'uno all'altro). I sensori con linea di diodi sono dotati di un microprocessore e vengono configurati elettronicamente tramite pulsanti.

PMD Time of Flight
PMD (Photonic Mixer Device) determina la distanza tra il sensore e l'oggetto (e tra sensore e sfondo) misurando il tempo necessario alla luce per raggiungere l'oggetto dal sensore e viceversa.

Un diodo laser genera un raggio laser modulato. La luce riflessa dall'oggetto viene diretta ad un chip fotosensibile (PMD Smart Pixel) attraverso la lente. Il chip confronta le onde luminose in arrivo e rileva così la distanza dell'oggetto.

Diagram of sensor using time of flight technology

Le onde luminose si propagano dalla sorgente luminosa laser. Non appena la luce viene riflessa dall'oggetto, la propagazione di fase si sposta in modo direttamente proporzionale alla distanza.

Questa tecnologia proprietaria offre:

  • Efficace rilevamento di piccoli oggetti riflettenti
  • Rapida installazione grazie all'indipendenza da colore e angolo
  • Dati di distanza misurati tramite IO-Link

Questa tecnologia viene utilizzata da tutti i sensori di distanza laser ODG, O1D, O5D e OID di ifm.