Bevezetés az optikai érzékelőkbe

Az összes optikai érzékelő ugyanazon alapvető alkatrészekkel rendelkezik:

  • Ház - különböző formák, méretek és anyagok
  • Alapvető érzékelőelem - a technológiától függően váltakozik, de mindig tartalmaz egy lencserendszert
  • Elektronika - kiértékeli, amit az érzékelő érzékel
  • Áramcsatlakozás - áram- és jelellátás

Az optikai érzékelők lehető legjobb kihasználása céljából hasznos az elektromágneses sugárzási spektrum megértése. Az ifm optikai érzékelői a látható (elsődlegesen piros) és az infravörös frekvenciatartományban dolgoznak.

A látható piros fény
a legjobb „jelenleg elérhető” fényfajta, és a legtöbb alkalmazáshoz ajánlott. Az ifm legtöbb érzékelője látható piros fénnyel dolgozik.
Előny Hátrány

Könnyű felismerni kis érzékelési távolságoknál, megkönnyíti az üzembe helyezést

Színfüggő a nagy érzékelési távolságoknál

Infravörös fény
Előnyök Hátrány

Színfüggetlen az érzékelési távolság nagy részében

Jó választás szennyezett környezetekbe - képes áthatolni poron, ködön, gőzön stb.

Nem látható az emberi szem számára, ami megnehezíti a beállítást

Lézerfény
Előnyök Hátrányok

Képes kis objektumok érzékelésére nagy érzékelési távolságoknál

A kis fényfolt pontos kapcsolási pontokat tesz lehetővé

A világospiros látható fénysugár beállítási segítségként használható

A lézeres LED-ek általában véve költségesebbek, mint a standard látható LED-ek piros vagy infravörös fénnyel

Terminológia

Modulált fény – Az adó által átvitt fény olyan frekvenciával pulzál, mely minden érzékelőcsalád számára egyértelmű. A vevőt úgy állították be, hogy az érzékelje az ezen frekvencián modulált fényt, és ignorálja a más forrásokból érkező környező fényt.

Kapcsolási frekvencia – Az a maximális sebesség, melynél az érzékelő egyenként impulzusokat ad, amint az objektum az érzékelési tartományban mozog és azt elhagyja. Egyszerűen fogalmazva, megadja, hogy az érzékelő egy objektum áthaladásakor milyen gyorsan képes be- és kikapcsolni.

Kontraszt – Két objektum közti szín- és világosságkülönbség. Itt a fehér a legkönnyebben, a fekete pedig a legnehezebben érzékelhető szín.

Fényfolt – Az átvitt fény átmérője adott távolságnál. Ez a méret az adatlapokon általában a maximális érzékelési távolságnál van megadva, és az az adó nyílásszöge funkciójának számít.

Hatásos sugár – A fénysugár azon tartománya, melyet teljes mértékben meg kell szakítani, hogy az érzékelőkimenet kapcsoljon. Azon érzékelők, melyek kapcsolnak, ha a fénysugár megszakad (azaz egyutas fénysorompók és polarizált tárgyreflexiós fénysorompók révén), hatásos sugarakkal rendelkeznek. Azon érzékelők, melyek a fény közvetlenül az objektumról veretik vissza (azaz tárgyreflexiós fényérzékelők), nem rendelkeznek hatásos sugarakkal.

Világosra kapcsolás – A kimenet módosítja állapotát, amint a vevő fényt érzékel.

Sötétre kapcsolás– A kimenet módosítja állapotát, amint a vevő nem érzékel több fényt.

Üzemi tartalék – Az érzékelő által ténylegesen fogadott fényenergia és a kimeneti állapot módosításához szükséges fényenergia közti viszony. „1” üzemi érték legalább szükséges a kimenet kapcsolásához. Ezen határértéken túl minden üzemi tartalékként kezelendő. Az az érzékelő előírásszerű működésének meghatározására szolgál szennyezett területeken.

Szükséges maximális üzemi tartalék Üzemi környezet
1.5X Tiszta levegő: Nem gyűlt össze szennyeződés a lencséken vagy a reflektorokon:
5X Enyhe szennyeződés. Kevés összegyűlt por, szennyeződés, olaj, nedvesség stb. a lencséken és reflektorokon. A lencséket rendszeresen tisztítják.
10X Mérsékelt szennyezettség: A lencsék és a reflektorok látható szennyeződése, de nem eltakarva. A lencsék alkalmanként vagy szükség szerint tisztításra kerülnek.
50X Erős szennyezettség: A lencsék erős szennyezettsége. Erős homályosodás, ködösödés, por-, füst- vagy olajfilm, lencsék minimális tisztítása

Egyutas fénysorompók

Ismert egyutas fénysorompó/egyutasfénysorompó-pár néven is. Az adó és a vevő különálló házakban helyezkedik el, egymással szemben szerelik fel. A fény az adó lencséjéből kerül kibocsátásra, a vevő lencséje pedig érzékeli.

A kimenet akkor módosítja állapotát, amint az objektum megszakítja a fénysugarat, és a vevő nem fogad több fényt. Amíg az objektum elég nagy és elég sűrű a hatásos sugár megszakításához, addig az alkalmazást a szín, forma, szög, visszaverődés és a felület minősége nem befolyásolja. Ezért megbízhatóbbak, mint a tárgyreflexiós fényérzékelők, melyek az objektum fényvisszaverődésétől függenek.

Előnyök Hátrányok
  • Nagy érzékelési távolság
  • Nagy üzemi tartalék (optimális választás szennyezett környezetben)
  • Egyenletesebb hatásos sugár a teljes tartomány mentén
  • Fényt nem áteresztő objektumok megbízható érzékelése
  • Nincs „vak zóna” a teljes érzékelési távolság mentén
  • Az adó és a vevő külön házban található, és ennek megfelelően külön alkatrészszámokkal rendelkeznek
  • Mindkét házat össze kell szerelni és huzalozni, ami további szerelési költségekkel jár
  • A nagy üzemi tartalék miatt az átlátszó és félig átlátszó objektumok az egyutas fénysorompókkal átvilágíthatók

A hatásos sugár egységes átmérőjű, mely nagyjából az adó- és vevőlencsék átmérőjének felel meg. Amíg az objektum legalább akkora, mint a hatásos sugár, a kimenet kapcsol, amint az objektum a sugarat megszakítja.

Kimenetek egy egyutasfénysorompó-párhoz:

  • Aktiválódnak a kimenetek a világosra kapcsoláshoz, ha az objektum nincs jelen.
  • Aktiválódnak a kimenetek a sötétre kapcsoláshoz, ha az objektum jelen van.

Szerelés előkészítése

Több egyutasfénysorompó-pár telepítésénél biztosítsa, hogy a többi vevő érzékelőit az átvitt fénysugár ne befolyásolja. Ennek az az egyszerű megoldása,ha az adót és a vevőt az ábrázolt módon kicserélik.

A sugáron át mozgó, erősen visszaverő objektum a fényt egy nem hozzá tartozó vevőre verheti vissza, ami hibás jelet eredményezhet. Ennek egyszerű megoldása az, ha a fénysorompókat úgy helyezik el az érzékelők között, hogy azok blokkoljanak minden szórt visszaverődést.

Mivel a napfény ugyanazon fényhullámhosszakkal bír, mint az optikai adók, a vevőket a nagyon világos környezeti fény gyakran befolyásolhatja. Ez rendszerint akkor figyelhető meg, ha a garázsajtó nyitásához a házban optikai érzékelőket használnak, melyeknél a fénysugarak bizonyos fénybeesési szögben zavarhatják az ajtó üzemét. Ez a probléma megoldható az érzékelők szögátállításával, fénysorompó hozzáadásával vagy az adó és a vevő cseréjével.

Polarizált tárgyreflexiós fénysorompók

Az adó és a vevő ugyanazon házban található, és egy reflektorral szemben kerülnek felszerelésre. A fény az adó lencséjéből kerül kibocsátásra, visszaverődik a reflektorról a reflektor lencséjére.

Az egyutas fénysorompókhoz hasonlóan a kimenet akkor módosítja állapotát, amint az objektum megszakítja a fénysugarat, és a vevő nem fogad több fényt. Amíg az objektum elég nagy és elég sűrű a hatásos sugár megszakításához, addig az alkalmazást a szín, forma, szög, visszaverődés és a felület minősége nem befolyásolja. Ezért megbízhatóbbak, mint a tárgyreflexiós fényérzékelők, melyek az objektum fényvisszaverődésétől függenek.

Előnyök Hátrányok
  • Közepes érzékelési távolság, mivel a sugár útja kétszer olyan hosszú, mint a megfelelő egyutas fénysorompó útja
  • Az egyetlen háznak köszönhetően alacsonyabb beszerzési és szerelési költségek
  • Fényes objektumok megbízható érzékelése a beépített polarizációs szűrőknek köszönhetően
  • A reflektor problémamentes beépítése
  • A fényt nem áteresztő és nem átlátszó objektumok megbízható érzékelése
  • Nincs „vak zóna” a teljes érzékelési távolság mentén
  • Alacsony üzemi tartalék, alacsonyabb, mint a tárgyreflexiós fényérzékelőknél, a reflektor energiavesztesége miatt
  • Átlátszó objektumok nem megbízható érzékelése, ha nem különösen „tiszta objektummodellek” kerülnek alkalmazásra
  • A hatásos sugár nem egységes átmérője

A polarizált tárgyreflexiós fénysorompók hatásos sugara kúp alakú. Az érzékelő közelében a sugár nagyjából az adó lencséjének megfelelő méretű. A reflektor közelében a reflektor méretével egyezik meg. Ez azt jelenti, hogy kisebb objektumok akkor érzékelhetők, ha azok az érzékelő közelében vannak, de nem feltétlenül a vevő közelében.

Kimenetek a polarizált tárgyreflexiós fénysorompókhoz:

  • Aktiválódnak a kimenetek a világosra kapcsoláshoz, ha az objektum nincs jelen.
  • Aktiválódnak a kimenetek a sötétre kapcsoláshoz, ha az objektum jelen van.

A prizmatikus reflektorok a polarizált tárgyreflexiós fénysorompókhoz szükségesek. Kialakításuk miatt ezen reflektorok az érkező fénysugarat 90 fokkal fordítják el. Az érzékelők polarizáló szűrőkkel rendelkeznek a lencsék fölött, így a fényhullámok csak egy irányban mozognak. A fényhullámokat a reflektor elfordítja, és így a vevőn levő szűrő tájolásához igazodnak.

A fényes objektumok a nagy intenzitású fényt az érzékelőre tudják visszaverni, és mivel a fény még nincs helyesen tájolva, a fényes felületek nem okoznak hibás jelet.

Visszavert fény érzékelő

Az adó és a vevő egy tárgyreflexiós fényérzékelőben, ugyanazon házban található. A kibocsátott fényt az objektum visszaveri a reflektorra, és a vevő kiértékeli. Az alkalmazáshoz való helyes megoldás kiválasztása során nagy odafigyelést kell szentelni az objektum tulajdonságainak és az objektum mögötti háttérnek. A tárgyreflexiós fényérzékelők sokkal kisebb üzemi tartalékkal rendelkeznek, mint az egyutas fénysorompó-párok, de rendszerint magasabb üzemi tartalékkal, mint a polarizált tárgyreflexiós fénysorompók.

A tárgyreflexiós fényérzékelők érzékenysége nagyon magas. A kimenet átkapcsolásának kiváltásához elég az objektumról visszavert átvitt fényenergia 2%-a.

Előnyök Hátrányok
  • Az objektum közvetlen érzékelése reflektor vagy második ház követelménye nélkül
  • Alacsonyabb beszerzési és szerelési költségek mint az egyutas fénysorompók és polarizált tárgyreflexiós fénysorompók esetében
  • Rövid érzékelési távolság
  • Nagy mértékben függ az objektum tulajdonságaitól, pl. a színtől, szerkezettől, mérettől és a formától
  • A megbízható érzékelést a visszaverő vagy nagyon közeli háttér akadályozhatja
  • Az erősen visszaverő háttér, mint pl. ablaküveg vagy fényvisszaverő fólia a ruhadarabokon a megadott érzékelési távolságtól nagyobb távolságban helytelen aktiválásokat válthat ki

Objektum-behatások:

A nagyobb objektumok több fényt vernek vissza, ami nagyon érzékelési távolságot eredményezhet.

A látható piros fénnyel dolgozó érzékelőkkel a világosabb színek nagyobb érzékelési távolság mellett érzékelhetők, mint a sötétebb színek. Az objektum színe sokkal kisebb hatással bír az infravörös érzékelőkre. A csillogó felületek nagyobb érzékelési távolság mellett érzékelhetők, mint a matt felületek.

A sima felületek jobb visszaverési képességgel bírnak, mint a durva felületek. Egy műanyagból készült sima, kék objektum például több fényt ver vissza, mint egy bársonyból készült kék objektum.

A lapos, az érzékelőhöz képest függőlegesen álló objektumok több fényt vernek vissza, mint a lapos, szögben levő objektumok. Ezen kívül a nem lapos objektumok hajlamosak arra, hogy a fényt eltereljék az érzékelőről, ami energiaveszteséghez és kisebb érzékelési távolsághoz vezet.

Háttér-zavar
A tárgyreflexiós fényérzékelő a fényforrástól függetlenül az összes, a vevőhöz visszavert fényt érzékeli. A háttér által visszavert fény ugyanazon fénynek tűnik, mint az objektum által visszavert fény; ez különösen zavaró, ha a háttér erősebben ver vissza, mint az objektum, és ha az objektum és a háttér nagyon közel van egymáshoz.

A háttér érzékelésének csökkentéséhez:

  1. azt ajánlott sötét, egységes festékréteggel ellátni.
  2. az érzékelőnek a háttérhez viszonyított szögét javasolt módosítani.
  3. az érzékelő érzékenységét célszerű csökkenteni a háttér „eltüntetéséhez”.
  4. célszerű beépített háttérelnyomással rendelkező tárgyreflexiós fényérzékelőt használni.

Érzékelők háttérelnyomással

Ezen érzékelőknél speciális kialakítású tárgyreflexiós fényérzékelőkről van szó, melyek megakadályozzák az objektum mögötti háttéren való téves aktiválásokat. A hátterek különböző technológiákkal tüntethetők el, pl.: Fix érzékelési és hatótávolságok, háromszögelési elv, diódasor, PMD Time-of-Flight{

Előnyök Hátrányok
  • Nincs háttér-zavar
  • Az objektum közvetlen érzékelése reflektor vagy kiegészítő ház nélkül
  • Alacsonyabb beszerzési és szerelési költségek mint az egyutas fénysorompók és polarizált tárgyreflexiós fénysorompók esetében
  • Színfüggetlen változatok rövid érzékelési távolsággal dolgozó alkalmazásokhoz
  • Kisebb érzékelési távolság, mint a szabványos tárgyreflexiós fényérzékelőknél
  • Költségesebb, mint a szabványos tárgyreflexiós fényérzékelők
  • Rövid érzékelési távolság
  • Nagy mértékben függ az objektum tulajdonságaitól, pl. a színtől, szerkezettől, mérettől és a formától
  • Az érzékelő felületének közelében „vak zóna” alakuhat ki

Fix érzékelési és hatótávolságok
Az adó- és vevőlencsék pozíciója be van hajlítva és egy érzékelési tartományt képez. Az érzékelési tartományon belüli objektumoknál a fény a vevőlencsébe verődik vissza és érzékelésre kerül. Az érzékelési tartományon kívül eső objektumok (vagy túl közel vagy túl messze) nem rendelkeznek korrekt geometriával ahhoz, hogy a fényt a vevőhöz tükrözzék. Ez az eljárás általában rövid érzékelési távolságoknál használatos, és nem állítható be.

Háromszögeléses eljárás
Ezen technológia esetében két vevőt használnak a háttérelnyomáshoz. Potenciométer használata mellett beállítási célból egy tükör kerül mechanikusan pozicionálásra azon pont meghatározásához, ahol egy vevő az objektumot és egy másik vevő a hátteret érzékeli. Az érzékelő ezután ezen két pont között fél úton kerül beállításra. Az érzékelő megméri a fogadott fény szögét annak meghatározásához, hogy a fényt az objektum vagy a háttér veri-e vissza.

Diódasor
Ez a módszer összehasonlítható a háromszögeléses elvvel, azzal a kivétellel, hogy a vevők esetében egy 63-as diódasorról van szó. A kiegészítő vevők lehetővé teszik a pontos háttérelnyomást (azaz az objektum és a háttér nagyon közel lehet egymáshoz). A diódasoros érzékelők mikroprocesszorral rendelkeznek, és elektronikusan, gombnyomással programozhatók.

PMD Time-of-Flight
A PMD (Photonic Mixer Device) meghatározza a távolságot az érzékelő és az objektum (valamint az érzékelő és a háttér) között, ehhez azon időt méri meg, melyre a fénynek szüksége van, hogy eljusson az érzékelőtől az objektumig és újra vissza.

Egy lézerdióda modulált lézersugarat generál. Az objektumról visszavert fény egy lencsén át egy fényérzékeny csipre (PMD Smart Pixel) terelődik. A csip összehasonlítja a beérkező fényhullámokat, és ez alapján meghatározza az objektum távolságát.

Diagram of sensor using time of flight technology

Fénysugarak terjednek a lézeres fényforrásból. Amint az objektum visszaveri a fényt, a távolsággal egyenesen arányosan eltolódik a fázisminta.

A technológia a következőket kínálja:

  • Kisméretű visszaverő objektumok robusztus érzékelése
  • A szín- és szögfüggetlenségnek köszönhetően gyors telepítés
  • Mért távolságadatok IO-Link segítségével

Ez a technológia az ifm összes ODG, O1D, O5D és OID lézeres távolságérzékelőjében alkalmazásra kerül.