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

Johdanto optoelektroniset anturit

Kaikissa optoelektronisissa antureissa on samat peruskomponentit:

  • Kotelo – erilaiset muodot, koot ja rakennemateriaalit
  • Perusanturielementti – riippuu teknologiasta, mutta sisältää aina linssijärjestelmän
  • Elektroniikka – käsittelee anturin havaitsemat tiedot
  • Sähköinen liitäntä – tehonsyöttö ja signaali(t)

Jotta voisi soveltaa optoelektronisia antureita parhaalla mahdollisella tavalla, olisi hyödyllistä ymmärtää sähkömagneettinen säteilyspektri. ifm:n optoelektroniset anturit toimivat näkyvän valon (lähinnä punainen) ja infrapunavalon taajuusalueilla.

Näkyvä punainen valo
on paras "joka paikan" valotyyppi ja sitä suositellaan useinpiin sovellutuksiin. Pääosa ifm:n antureista käyttää näkyvää punaista valoa
Edut Haitat

Helppo nähdä lyhyillä etäisyyksillä, voidaan käyttää säätöavustimena

Väririippuvainen suuremmilla etäisyyksillä

Infrapunavalo
Edut Haitat

Väririippuvainen useimmilla tuntoetäisyyksillä

Hyvä vaihtoehto likaisiin ympäristöihin – kyky tunkeutua pölyn, sumun, höyryn y.m.s. läpi.

Ei näy ihmissilmälle, vaikeampi säätää.

Laservalo
Edut Haitat

Pienten kohteiden tunnistus pitkillä tuntoetäisyyksillä

Kapea valokeila mahdollistaa kytkentäpisteiden tarkan säädön

Kirkasta punaista valonsädettä voidaan käyttää säätöavustimena

Laser-LEDit ovat yleensä kallimpia kuin tavalliset näkyvän valon LEDit tai infrapuna-LEDit

Terminologia

Moduloitu valo – lähettimen lähettämä valo pulssitetaan kullekin anturiperheelle ominaisella yksilöllisellä taajuudella. Vastaanotin viritetään vastaanottamaan tällä taajuudella moduloitua valoa ja jättämään huomiotta muista lähteistä tulevan taustavalon.

Kytkentätaajuus – maksimi nopeus, jolla anturi pystyy muodostamaan erillisiä pulsseja kohteen tullessa ja poistuessa tunnistusalueelta. Toisin sanoen se tarkoittaa, miten nopeasti anturi pystyy kytkemään ja katkaisemaan kohteen kulkiessa ohi.

Kontrasti – kahden kohteen välinen väri- ja kirkkausero. Valkoinen on helpoimmin ja musta vaikeimmin tunnistettava väri.

Sädekimppu (tai valopiste) – lähetetyn valokeilan halkaisija tietyllä etäisyydellä. Tämä lukema ilmoitetaan datalehdillä yleensä maksimietäisyydellä ja se on lähettimen linssin avautumiskulman funktio.

Efektiivinen säde – se osa valonsäteestä, joka on katkaistava kokonaan, jotta anturin lähtö muuttaisi tilaansa.Antureilla, jotka kytkevät valonsäteen katketessa (esim. lähetin-/vastaanotinparit ja polaroidut peilistä heijastavat anturit) on efektiivinen säde.Antureilla, jotka mittaavat suoraan kohteesta heijastuvaa valoa (esim. kohteesta heijastavat anturit) ei ole efektiivistä sädettä.

Kirkas kytkentä (light-on) – lähtö muuttaa tilaansa, kun vastaanotin havaitsee valoa.

Himmeä kytkentä (dark-on) – lähtö muuttaa tilaansa, kun vastaanotin ei havaitse valoa.

Varmuuskerroin – anturin vastaanottaman valoenergian ja lähdön tilan muuttamiseen tarvittavan valoenergian välinen suhde.Varmuuskerroin = 1 on minimiarvo, joka tarvitaan lähdön tilan muuttamiseen.Kaikkea tämän rajan yläpuolella pidetään varmuuskertoimena.Se on hyödyllinen määritettäessä anturin toiminnan luotettavuutta likaisessa ympäristössä.

Maksimi tarvittava varmuuskerroin Toimintaympäristö
1.5X Puhdas ilma: Ei tarttunutta likaa linsseissä eikä heijastimissa.
5X Hieman likainen: Hieman likaa (esim. pölyä, likaa, öljyä, kosteutta) linsseissä tai heijastimissa; linssit puhdistetaan säännöllisin väliajoin.
10X Kohtalaisen likainen: Selkeitä likakertymiä linsseissä tai heijastimissa, mutta ei samentumista; linssit puhdistetaan silloin tällöin tai tarvittaessa.
50X Hyvin likainen: Voimakasta linssien likaantumista; sakeaa sumua, usvaa, pölyä, savua tai öljykalvo, linssien minimaalinen puhdistus

Lähetin-/vastaanotinparit

Tunnetaan myös nimellä valokennopari.Lähetin ja vastaanotin on pakattu erillisiin koteloihin ja ne asennetaan vastakkain.Valo lähetetään lähettimen linssistä ja poimitaan vastaanottimen linssillä.

Lähtö muuttaa tilaa, kun kohde katkaisee säteen ja estää valon pääsyn vastaanottimeen.Silloin, kun kohde on riittävän suuri ja kiinteä katkaisemaan efektiivisen säteen, kohteen väri, muoto, kulma, heijastuskyky ja pinnan laatu eivät vaikuta toimintaan.Tämän vuoksi ne ovat luotettavampia kuin kohteesta heijastavat mallit, joiden toiminta riippuu kohteesta heijastuvan valon määrästä.

Edut Haitat
  • Pitkä tuntoetäisyys
  • Suuri varmuuskerroin (paras vaihtoehto likaisiin ympäristöihin)
  • Yhtenäinen efektiivinen säde koko tuntoetäisyysalueella
  • Läpinäkyvien kohteiden luotettava tunnistus
  • Ei "sokeaa" aluetta missään tuntoetäisyysalueen kohdassa
  • Lähettimellä ja vastaanottimella on erilliset kotelot ja siksi myös erilliset artikkelinumerot
  • Kumpikin kotelo on asennettava ja kaapeloitava, mikä lisää asennuskustannuksia
  • Suuren varmuuskertoimensa ansiosta lähetin-/vastaanotinparit näkevät läpinäkyvien ja puoliläpäisevien kohteiden läpi

Efektiivinen säde on yhtenäinen ja halkaisijaltaan suunnilleen lähettimen ja vastaanottimen linssien kokoinen.Niin kauan, kuin kohde on vähintään efektiivisen säteen halkaisija kokoinen, lähtö menee päälle, kun kohde katkaisee säteen.

Lähetin-/vastaanotinparin lähdöt:

  • Kirkkaassa kytkennässä lähdöt menevät päälle, kun kohde ei ole paikalla.
  • Himmeässä kytkennässä lähdöt menevät päälle, kun kohde on paikalla.

Asennuksessa huomioitavaa

Asennettaessa useampia lähetin-/vastaanotinpareja huolehdi siitä, ettei anturin lähettämä säde häiritse muita vastaanottimia.Yksinkertainen ratkaisu on asentaa lähettimet ja vastaanottimet vuorotellen kuvassa esitetyllä tavalla.

Säteen läpi kulkeva heijastava kappale saattaa heijastaa valonsäteen väärään vastaanottimeen ja aiheuttaa näin virhesignaalin.Yksinkertainen ratkaisu on asentaa antureiden väliin esteitä ehkäisemään virheheijastuksia.

Koska auringonvalo sisältää samoja aallonpituuksia, joita lähettimet käyttävät, voi kirkas ympäristövalaistus hämätä vastaanotinta.Näin tapahtuu usein, kun optoelektronisia antureita käytetään esimerkiksi kotona autotallien ovien ohjauksessa, ja tietystä kulmasta tuleva auringonvalo häiritsee toimintaa.Mahdollisia ratkaisuja ovat mm. anturin asennuskulman muuttaminen, varjostimen asentaminen tai lähettimen ja vastaanottimen paikkojen vaihtaminen.

Polaroidut peilistä heijastavat anturit

Lähetin ja vastaanotin on pakattu samaan koteloon ja asennetaan vastapäätä heijastinta.Lähettimen lähettämä valo heijastuu peilistä ja palaa takaisin vastaanottimen lnssiin.

Samoin kuin lähetin-/vastaanotinpareissa lähtö muuttaa tilaansa, kun kohde katkaisee säteen ja estää valon pääsyn vastaanottimeen.Silloin, kun kohde on riittävän suuri ja kiinteä katkaisemaan efektiivisen säteen, kohteen väri, muoto, kulma, heijastuskyky ja pinnan laatu eivät vaikuta toimintaan.Tämän vuoksi ne ovat luotettavampia kuin kohteesta heijastavat mallit, joiden toiminta riippuu kohteesta heijastuvan valon määrästä.

Edut Haitat
  • Keskipitkä tuntoetäisyys, koska säde on kaksi kertaa niin pitkä kuin lähetin-/vastaanotinpareissa
  • Yksi kotelo alentaa hankinta- ja asennuskustannuksia
  • Kiiltävien kohteiden luotettava tunnistus sisäänrakennetun polarisaatiosuodattimen ansiosta
  • Heijastimen helppo asennus
  • Läpinäkymättömien kohteiden luotettava tunnistus
  • Ei "sokeaa" aluetta missään tuntoetäisyysalueen kohdassa
  • Matala varmuuskerroin, jopa matalampi kuin kohteesta heijastavilla antureilla heijastimessa tapahtuvien energiahäviöiden vuoksi
  • Läpinäkyvien kohteiden epäluotettava tunnistus, paitsi jos käytetään kalvojen tunnistukseen tarkoitettuja erikoismalleja
  • Epäyhtenäinen efektiivisen säteen halkaisija

Polaroitujen peilistä heijastavien antureiden efektiivinen säde on keilamainen. Anturin lähellä säde on halkaisijaltaan suunnilleen lähettimen linssin kokoinen.Heijastimen läheisyydessä se on halkaisijaltaan samankokoinen kuin heijastin.Käytännössä tämä tarkoittaa sitä, että pienet kohteet voidaan voidaan tunnistaa lähellä anturia, mutta ei enää heijastimen läheisyydessä.

Polaroidun peilistä heijastavan anturin lähdöt:

  • Kirkkaassa kytkennässä lähdöt menevät päälle, kun kohde ei ole paikalla.
  • Himmeässä kytkennässä lähdöt menevät päälle, kun kohde on paikalla.

Polaroidut peilistä heijastavat anturit tarvitsevat toimiakseen prismaheijastimen.Rakenteestaan johtuen nämä heijastimet kääntävät tulevaa valonsädettä 90 astetta. Nämä anturit on varustettu linssin peittävällä polarisaatiosuodattimella, joka päästää läpi ainoastaan yhdensuuntaiset valoaallot.Prismaheijastin kääntää valoaaltoja niin, että ne sopivat yhteen vastaanottimen suodattimen suuntauksen kanssa.

Kiiltävistä kohteista voidaan saada voimakas heijastus, mutta koska tämä valo ei ole polarisaatioltaan oikean suuntaista, se ei aiheuta virhesignaaleja.

Kohteesta heijastava anturit

Kohteesta heijastavan anturin lähetin ja vastaanotin sijaitsevat samassa kotelossa. Anturin lähettämä valo heijastuu kohteesta takaisin vastaanottimeen, joka arvioi heijastuvan valon intensiteettiä.On tärkeätä huolellisesti arvioida kohteen ja sen taustalla olevan alueen ominaisuuksia oikean sovellutusratkaisun löytämiseksi.Kohteesta heijastavien antureiden varmuuskerroin on paljon pienempi kuin lähetin-/vastaanotinpareilla, mutta tyypillisesti se on kuitenkin suurempi kuin polaroiduilla peiliheijasteisilla malleilla.

Kohteesta heijastavien antureiden herkkyys on erittäin suuri.Heijastuksena saatava 2% osuus lähetetystä valosta riittää aiheuttamaan lähdön kytkentätilan muutoksen.

Edut Haitat
  • Kohteiden suora tunnistus ilman heijastinta tai toista koteloa
  • Alhaisemmat hankinta- ja asennuskustannukset kuin lähetin-/vastaanotinpareilla ja polaroiduilla peilistä heijastavilla antureilla
  • Lyhyt tuntoetäisyys
  • Toiminta riippuu kohteen ominaisuuksista, kuten esim. väristä, pinnasta, koosta ja muodosta
  • Heijastava tai lähellä kohdetta oleva tausta saattaa estää luotettavan toiminnan
  • Heijastava tausta kuten esim. ikkunalasi tai vaatteissa oleva turvaheijastin voi aiheuttaa virhekytkentöjä pitkältäkin etäisyydeltä (jopa tuntoetäisyysalueen ulkopuolelta)

Kohteen vaikutukset:

Suuret kohteet heijastavat enemmän valoa, jolloin saadaan suurempi tuntoetäisyys.

Näkyvällä punaisella valolla toimivilla antureilla voidaan vaaleat värit tunnistaa suuremmalta etäisyydeltä kuin tummat.Infrapuna-antureilla kohteen värillä on huomattavasti vähemmän merkitystä.Kiiltävät kohteet voidaan tunnistaa kauempaa kuin himmeät ja mattapintaiset.

Tasaisilla pinnoilla on parempi heijastuskyky kuin epätasaisilla.Esimerkiksi tasainen sininen muovipinta heijastaa paljon enemmän valoa kuin sininen samettipinta.

Anturiin nähden kohtisuorassa olevat tasaiset kohteet heijastavat enemmän valoa kuin kulmassa olevat kohteet.Myös epätasaisilla kohteilla on taipumus heijastaa valoa eri suuntiin, mikä aiheuttaa energiahäviöitä ja pienentää tuntoetäisyyttä.

Taustan vaikutukset:
Kohteesta heijastava anturi tunnistaa kaiken vastaanottimeen heijastuvan valon riippumatta sen lähteestä.Taustasta heijastuva valo vaikuttaa samalla tavalla kuin kohteesta heijastuva. Tämä on ongelmallista erityisesti silloin, kun taustan heijastuskyky on parempi kuin kohteella ja kun kohde ja tausta ovat hyvin lähellä toisiaan.

Taustan vaikutuksen vähentämiseksi:

  1. Muokkaa taustaa esim. maalaamalla se tummalla, mattapintaisella maalilla.
  2. Muuta anturin kulmaa suhteessa taustaan.
  3. Vähennä anturin herkkyyttä "poistamalla" taustan vaikutus.
  4. Käytä taustavaimennuksella varustettua kohteesta heijastavaa anturia.

Taustavaimennetut anturit

Nämä ovat kohteesta heijastavia erikoisantureita, jotka on suunniteltu eliminoimaan kohteen takana olevan taustan aiheuttamat kytkintoiminnot.Taustavaimennuksessa voidaan käyttää erilaisia tekniikoita: Kiinteä tuntoetäisyys, triangulointiperiaate, diodijono, valon kulkuajan mittaus (PMD)

Edut Haitat
  • Ei taustan aiheuttamia häiriöitä
  • Kohteen suora tunnistus ilman heijastinta tai toista koteloa
  • Alhaisemmat hankinta- ja asennuskustannukset kuin lähetin-/vastaanotinpareilla ja polaroiduilla peilistä heijastavilla antureilla
  • Väreistä riippumattomia versioita saatavana lyhyille tuntoetäisyyksille
  • Lyhyempi tuntoetäisyys kuin tavallisilla kohteesta heijastavilla antureilla
  • Kalliimpia kuin tavalliset kohteesta heijastavat anturit
  • Lyhyt tuntoetäisyys
  • Toiminta riippuu kohteen ominaisuuksista, kuten esim. väristä, pinnasta, koosta ja muodosta
  • Anturin lähellä saattaa olla "sokea" alue

Kiinteä tuntoetäisyys
Lähettimen ja vastaanottimen linssit on asennettu toisiinsa nähden kulmaan tunnistusalueen muodostamiseksi.Tunnistusalueelle olevat kohteet heijastavat valoa vastaanottimeen ja tunnistetaan.Tunnistusalueen ulkopuolella (liian lähellä tai kaukana) olevilla kohteilla ei ole oikeanlaista geometriaa pystyäkseen heijastamaan valoa vastaanottimeen.Tätä menetelmää käytetään usein lyhyillä etäisyyksillä eikä toiminta ole säädettävissä.

Triangulointiperiaate (kolmiomittaus)
Tämä teknologia käyttää kahta vastaanotinelementtiä taustavaimennuksen aikaansaamiseksi.Potentiometriä säätämällä ja peiliä liikuttamalla määritellään piste, jossa toinen vastaanotin tunnistaa kohteen ja toinen taustan.Anturi säädetään sitten näiden kahden pisteen puoliväliin.Anturi arvioi vastaanotetun valon tulokulmaa määritelläkseen, tuleeko valo kohteesta vai taustasta.

Diodijono
Tämä menetelmä on samanlainen kuin triangulointiperiaatteessa (kolmiomittaus) muuten kuin että vastaanottimien tilalla on 63-elementtinen diodijono.Ylimääräiset vastaanottimet mahdollistavat tarkan taustavaimennuksen (esim. kohde ja tausta voivat olla hyvin lähekkäin).Diodijonoantureissa on sisäänrakennettuna mikroprosessori ja ne ohjelmoidaan elektronisesti painikkeilla.

Valon kulkuajan mittaus (PMD)
PMD (Photonic Mixer Device) määrittelee etäisyyden anturin ja kohteen (sekä anturin ja taustan) välillä mittaamalla ajan, jonka valo tarvitsee kulkeakseen anturista kohteeseen ja takaisin.

Laserdiodi muodostaa moduloidun lasersäteen.Kohteen heijastama valo ohjataan vastaanottimen linssin läpi valoherkkään mikrosiruun (PMD Smart Pixel).Siru vertailee sisääntulevia valoaaltoja ja tekee johtopäätökset kohteen etäisyydestä.

Diagram of sensor using time of flight technology

Valoaallot ovat peräisin laservalolähteestä. Kun valo heijastuu kohteesta, syntyy vaihe-ero, joka on suoraan verrannollinen etäisyyteen.

Tällä patentoidulla teknologialla saavutetaan:

  • Kestävä pienten heijastavien kohteiden tunnistus
  • Nopea asennus väri- ja asennuskulmariippumattomuuden ansiosta
  • Mittaustiedot siirrettävissä IO-Linkin kautta

ifm:n ODG-, O1D-, O5D- ja OID-sarjojen laseretäisyysanturit käyttävät kaikki tätä teknologiaa.