- M18 Cube : le boîtier ifm à faible encombrement
- Technologie des détecteurs optoélectroniques
Introduction aux détecteurs optoélectroniques
Tous les détecteurs optoélectroniques sont dotés des mêmes composants de base :
- Boîtier - diverses formes, tailles et matériaux
- Élément de détection fondamental - varie d'après la technologie, inclut toutefois toujours un système de lentilles
- Électronique - évalue ce que détecte le détecteur
- Alimentation électrique - alimentation en courant et signaux
Pour utiliser au mieux les détecteurs optoélectroniques, il est utile de comprendre le spectre de rayonnement électromagnétique. Les détecteurs optoélectroniques d'ifm fonctionnent dans la gamme de fréquence visible (rouge primaire) et infrarouge.
| La lumière rouge visible | |
|---|---|
| est le meilleur des types de lumière « actuellement disponibles » et est recommandée pour la plupart des applications. Les détecteurs d'ifm utilisent en majorité la lumière rouge visible. | |
| Avantage | Inconvénient |
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Facile à détecter sur de courtes portées, facilite la mise en service |
Dépend de la couleur sur les longues portées |
| Lumière infrarouge | |
|---|---|
| Avantages | Inconvénient |
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Dépend de la couleur sur la majeure partie de la portée Bon choix pour les environnements sales - dispose de la capacité de pénétrer la poussière, le brouillard, la vapeur, etc. |
Invisible à l’œil humain, ce qui rend le réglage difficile |
| Lumière laser | |
|---|---|
| Avantages | Inconvénients |
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Capacité à détecter de petits objets à de grandes portées Le spot lumineux plus petit permet des seuils de commutation précis Un rayon de lumière rouge clair peut être utilisé comme aide au réglage |
Les LED laser sont en général plus coûteuses que les LED visibles standards à lumière rouge ou infrarouge |
Lexique
Lumière modulée – la lumière transmise par l'émetteur est pulsée à une fréquence qui est unique pour chaque famille de détecteurs. Le récepteur est réglé de façon à détecter la lumière modulée à cette fréquence et ignorer la lumière ambiante provenant d'autres sources.
Fréquence de commutation – vitesse maximale à laquelle un détecteur délivre les impulsions individuelles lorsque l'objet se déplace dans la zone de détection et la quitte. Tout simplement, cela indique à quelle vitesse le détecteur peut s'activer et se désactiver au passage d'un objet.
Contraste – la différence de couleur et de luminosité entre deux objets. Le blanc est ici la couleur la plus facile à détecter et le noir la plus difficile.
Spot lumineux – le diamètre de la lumière transmise à une distance donnée. Cette dimension est en général indiquée sur les fiches techniques avec la portée maximale et c'est une fonction de l'angle d'ouverture de l'émetteur.
Faisceau efficace – la zone du faisceau lumineux qui doit être entièrement interrompue pour que la sortie du détecteur commute. Les détecteurs qui commutent lorsque le faisceau lumineux est interrompu (c'est-à-dire par des barrages optoélectroniques et des détecteurs reflex polarisés) disposent de faisceaux efficaces. Les détecteurs qui font réfléchir la lumière directement sur l'objet (c'est-à-dire les détecteurs réflexion directe) ne disposent pas de faisceaux efficaces.
Éclairement – la sortie change son état lorsque le récepteur détecte la lumière.
Obscurcissement – la sortie change son état lorsque le récepteur ne détecte pas de lumière.
Capacité de réserve – le rapport entre l'énergie lumineuse effectivement reçue par le détecteur et l'énergie lumineuse nécessaire pour modifier l'état de sortie. Une valeur de fonctionnement de 1 est au minimum nécessaire pour commuter la sortie. Tout ce qui se trouve au-dessus de ce seuil est considéré comme capacité de réserve. Il sert à déterminer le fonctionnement correct du détecteur dans les zones contaminées.
| Capacité de réserve nécessaire maximale | Environnement d'exploitation |
|---|---|
| 1,5x | Air frais : pas d'accumulation de saleté sur les lentilles ou les réflecteurs : |
| 5x | Souillure légère. Légère accumulation de poussière, de saleté, d'huile, d'humidité, etc. sur les lentilles et les réflecteurs ; les lentilles sont régulièrement nettoyées. |
| 10x | Souillure modérée : souillure apparente des lentilles et des réflecteurs, sans qu'ils en soient cependant recouverts ; les lentilles sont nettoyées occasionnellement ou selon le besoin. |
| 50x | Forte souillure : fort encrassement des lentilles ; forte occultation, buée, poussière, film de fumée ou d'huile, nettoyage minimal des lentilles |
Barrages optoélectroniques
Également connus comme barrages optoélectroniques/paire de barrages optoélectroniques. L'émetteur et le récepteur sont placés dans des boîtiers séparés et sont montés l'un en face de l'autre. La lumière est envoyée par la lentille de l'émetteur et réceptionnée par la lentille du récepteur.
La sortie change son état dès que le faisceau lumineux est interrompu par l'objet et que le récepteur ne reçoit pas de lumière. Si l'objet est assez grand et opaque pour interrompre le faisceau efficace, l'application n'est pas influencée par la couleur, la forme, l'angle, la réflexion et les caractéristiques de la surface. C'est pourquoi leur fiabilité est supérieure à celle des détecteurs réflexion directe, qui sont dépendants de la réflexion de lumière de l'objet.
| Avantages | Inconvénients |
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Le faisceau efficace présente un diamètre uniforme correspondant approximativement au diamètre de la lentille de l'émetteur et du récepteur. Tant que l'objet est au moins aussi grand que le faisceau efficace, la sortie est commutée dès que le faisceau est interrompu par l'objet.
Sorties pour une paire de barrages optoélectroniques :
- Les sorties pour l'éclairement sont activées si l'objet n'est pas présent.
- Les sorties pour l'obscurcissement sont activées si l'objet est présent.
Considérations de montage
En cas d'installation de plusieurs paires de barrages optoélectroniques, il faut s'assurer qu'un détecteur ne soit pas influencé par le faisceau lumineux émis par les autres récepteurs. Une solution simple à cet effet consiste à échanger les émetteurs et récepteurs comme illustré.
Un objet fortement réfléchissant qui se déplace à travers un faisceau peut renvoyer la lumière sur un récepteur non concerné et déclencher ainsi un signal erroné. Dans ce cas, une solution simple consiste à placer les barrages entre les détecteurs pour bloquer l'ensemble des reflets parasites.
Comme la lumière du soleil présente les mêmes longueurs d'onde que les émetteurs optoélectroniques, les récepteurs peuvent être fréquemment influencés par une lumière ambiante claire. Cela peut généralement être observé quand des détecteurs optoélectroniques sont utilisés dans le domaine domestique pour l'ouverture de portes de garage, où les rayons du soleil perturbent le fonctionnement de la porte sous un certain angle d'incidence de la lumière. Ce problème peut être résolu en réglant l'angle des détecteurs, en ajoutant un barrage ou en intervertissant émetteur et récepteur.
Détecteurs reflex polarisés
L'émetteur et le récepteur sont installés dans le même boîtier et sont montés en face d'un réflecteur. La lumière est émise par la lentille de l'émetteur, rebondit sur le réflecteur et est renvoyée vers la lentille du récepteur.
Comme pour les barrages optoélectroniques, la sortie change son état dès que le faisceau lumineux est interrompu par l'objet et que le récepteur ne reçoit pas de lumière. Si l'objet est assez grand et opaque pour interrompre le faisceau efficace, l'application n'est pas influencée par la couleur, la forme, l'angle, la réflexion et les caractéristiques de la surface. C'est pourquoi leur fiabilité est supérieure à celle des détecteurs réflexion directe, qui sont dépendants de la réflexion de lumière de l'objet.
| Avantages | Inconvénients |
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Le faisceau efficace des détecteurs reflex à polarisation est conique. À proximité du détecteur, le faisceau a environ la taille de la lentille de l'émetteur. À proximité du réflecteur, il a la taille du réflecteur. Cela signifie que les objets plus petits peuvent être détectés s'il se trouvent à proximité du détecteur, mais pas forcément à proximité du récepteur.
Sorties pour détecteurs reflex polarisés :
- Les sorties pour l'éclairement sont activées si l'objet n'est pas présent.
- Les sorties pour l'obscurcissement sont activées si l'objet est présent.
Des réflecteurs prismatiques sont nécessaires pour les détecteurs reflex polarisés. Grâce à leur conception, ces réflecteurs tournent de 90 degrés le faisceau lumineux entrant. Les détecteurs sont équipés de filtres de polarisation au niveau des lentilles, de sorte que les ondes lumineuses ne se déplacent que dans une direction. Grâce au réflecteur, les ondes lumineuses sont tournée de 90° et ainsi adaptées à l'orientation du filtre sur le récepteur.
Les objets brillants peuvent renvoyer une lumière très intense au détecteur, mais comme cette lumière n'est pas bien orientée les objets brillants ne déclenchent pas de signal erroné.
Détecteur réflexion directe
Dans un détecteur réflexion directe, l'émetteur et le récepteur sont installés dans le même boîtier. La lumière envoyée est réfléchie par l'objet vers le récepteur et évaluée. Pour cela, les propriétés de l'objet et de l'arrière-plan derrière l'objet doivent être soigneusement prises en compte lors de la sélection de la solution. Les détecteurs réflexion directe sont dotés d'une capacité de réserve bien inférieure à celle des paires de barrages optoélectroniques, mais en général d'une plus grande capacité de réserve que les détecteurs reflex polarisés.
Les détecteurs réflexion directe disposent d'une très haute sensibilité. 2 % de l'énergie lumineuse transmise qui est renvoyée par l'objet suffisent pour provoquer une commutation de la sortie.
| Avantages | Inconvénients |
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Influences des objets :
Les objets plus grands reflètent davantage de lumière, ce qui mène à une plus grande portée.
Avec des détecteurs à lumière rouge visible, les couleurs plus claires peuvent être détectées avec une plus grande portée que les couleurs sombres. La couleur de l’objet a un effet très inférieur sur les détecteurs à infrarouge. Les surfaces brillantes peuvent être détectées avec une plus grande portée que les surfaces mates.
Les surfaces lisses ont une meilleure réflectivité que les surfaces rugueuses. Un objet bleu et lisse en plastique reflète par exemple davantage de lumière qu'un objet bleu en velours.
Les objets plats perpendiculaires au détecteur reflètent davantage de lumière que les objets plats se présentant de biais. En outre, les objets plats n'ont pas tendance à dévier la lumière du détecteur, ce qui mène à une perte d'énergie et à une portée plus réduite.
Perturbation par l'arrière-plan
Un détecteur réflexion directe détecte l'ensemble de la lumière renvoyée vers le récepteur sans égard à la source lumineuse. La lumière renvoyée par l'arrière-plan semble être la même que celle renvoyée par l'objet ; c'est particulièrement perturbant si l'arrière-plan reflète davantage de lumière que l'objet et si l'objet et l'arrière-plan sont très proches l'un de l'autre.
Pour réduire la détection de l'arrière-plan :
- le recouvrir d'une couche de peinture sombre uniforme.
- modifier l'angle du détecteur par rapport à l'arrière-plan.
- réduire la sensibilité du détecteur pour « supprimer » l'arrière-plan.
- utiliser un détecteur réflexion directe avec suppression intégrée de l'arrière-plan.
Détecteurs avec suppression de l'arrière-plan
Ces détecteurs sont des détecteurs réflexion directe spécialement conçus pour éviter les déclenchements erronés en raison de l'arrière-plan de l'objet. Les arrières-plans peuvent être supprimés par différentes technologies, comme par exemple : portées fixes, principe de triangulation, bande de diodes, PMD temps de vol{
| Avantages | Inconvénients |
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Portées fixes
Les lentilles de l'émetteur et du récepteur sont disposées selon un angle formant une zone de détection. Pour les objets à l'intérieur de la zone de détection, la lumière est renvoyée et détectée dans la lentille du récepteur. Les objets à l'extérieur de la zone de détection (trop près ou trop loin) n'ont pas la géométrie correcte pour renvoyer la lumière vers le récepteur. Cette méthode est généralement utilisée pour les courtes portées et ne peut pas être adaptée.
Procédé de triangulation
Avec cette technologie, deux récepteurs sont utilisés pour la suppression de l'arrière-plan. En utilisant un potentiomètre à des fins de réglage, un miroir est positionné mécaniquement pour déterminer le point auquel un récepteur détecte l'objet et l'autre récepteur détecte l'arrière-plan. Le détecteur est alors installé à mi-chemin entre ces deux points. Le détecteur mesure l'angle de la lumière reçue pour déterminer si la lumière est renvoyée par l'objet ou par l'arrière-plan.
Bande de diodes
Cette méthode est comparable au principe de triangulation à l'exception de ce qu'elle utilise une bande de 63 diodes pour les récepteurs. Les récepteurs supplémentaires permettent une suppression précise de l'arrière-plan (c'est-à-dire que l'objet et l'arrière-plan peuvent être très près l'un de l'autre). Les détecteurs à bande de diodes sont équipés d'un microprocesseur et sont programmés électroniquement par bouton-poussoir.
PMD temps de vol
Le PMD (Photonic Mixer Device) détermine la distance entre le détecteur et l'objet (et entre le détecteur et l'arrière-plan) en mesurant le temps nécessaire à la lumière pour aller du détecteur à l'objet et en revenir.
Un rayon laser modulé est généré par une diode laser. La lumière réfléchie par l'objet est guidée par une lentille sur une puce photosensible (PMD Smart Pixel). La puce compare alors les ondes lumineuses entrantes et détermine la distance à l'objet.
Les ondes lumineuses se diffusent à partir de la source lumineuse laser. Dès que la lumière est renvoyée par l'objet, le modèle de phase se décale directement proportionnellement à la distance.
Cette technologie exclusive offre :
- Détection robuste de petits objets réfléchissants
- Installation rapide grâce à son indépendance à la couleur et à l'angle
- Données de distance mesurées via IO-Link
Cette technologie est utilisée par tous les détecteurs de distance laser OGD, O1D, O5D et OID d'ifm.