M18-Cube: Casing ifm yang hemat ruang
Teknologi sensor fotoelektrik

Ikhtisar teknologi

Pengantar sensor fotoelektrik
Terminologi
Sensor sinar tembus
Sensor retroreflektif terpolarisasi
Sensor difus
Sensor supresi latar belakang

Semua sensor fotoelektrik memiliki komponen dasar yang sama:

Casing – berbagai bentuk, ukuran, dan material konstruksi

Elemen sensor dasar - bervariasi, tergantung pada teknologi, tetapi selalu dilengkapi sistem lensa

Elektronik -- mengevaluasi apa yang dideteksi oleh sensor

Koneksi listrik – mengirim daya dan sinyal

Untuk menggunakan sensor fotoelektrik secara optimal, Anda sebaiknya memahami tentang spektrum radiasi elektromagnetik. Sensor fotoelektrik ifm ini beroperasi dalam rentang frekuensi yang kasat mata (terutama merah) dan inframerah.

Cahaya merah yang kasat mata
adalah tipe cahaya "semua arah" terbaik dan direkomendasikan untuk sebagian besar aplikasi. Sebagian besar sensor ifm menggunakan cahaya merah yang kasat mata.
Kelebihan	Kekurangan
Mudah dilihat pada jarak dekat, sehingga berguna sebagai alat bantu pengaturan	Bergantung pada warna untuk jarak yang lebih jauh

Cahaya inframerah

Kelebihan

Kekurangan

Tidak bergantung pada warna pada sebagian besar jangkauan pendeteksian

Pilihan yang tepat untuk lingkungan yang kotor karena memiliki kemampuan untuk "melenyapkan" debu, kabut, uap, dsb.

Tidak terlihat oleh mata manusia sehingga pengaturan lebih sulit

Cahaya laser

Kelebihan

Kekurangan

Kemampuan untuk mendeteksi target berukuran kecil pada jarak jauh

Titik cahaya yang kecil memungkinkan titik peralihan yang presisi

Sinar merah terang yang kasat mata dapat digunakan sebagai alat bantu pengaturan

LED laser pada umumnya lebih mahal daripada LED merah atau inframerah standar yang kasat mata

Cahaya termodulasi – cahaya yang dikirim oleh transmitter pada frekuensi unik untuk setiap rangkaian sensor. Receiver diatur untuk mendeteksi cahaya yang dimodulasi pada frekuensi ini dan mengabaikan cahaya sekitar dari sumber lain.

Frekuensi peralihan – kecepatan maksimum ketika sensor mengirim sinyal pulsa terpisah saat target memasuki dan keluar dari bidang pendeteksian.Singkatnya, seberapa cepat sensor dapat diaktifkan dan dinonaktifkan ketika ada target yang lewat.

Kontras – perbedaan warna dan kecerahan antara dua objek. Warna putih adalah warna yang paling mudah dideteksi dan warna hitam adalah warna yang paling sulit dideteksi.

Titik sinar (atau titik cahaya) – diameter cahaya yang dikirim pada jarak tertentu. Dimensi ini biasanya ditunjukkan pada lembar data pada rentang maksimum dan merupakan fungsi untuk sudut bukaan lensa transmitter.

Sinar efektif – area dari sinar cahaya yang harus terputus sepenuhnya agar output sensor dapat mengubah status.Sensor yang beralih ketika sinar cahaya terputus (yaitu, sensor sinar tembus dan retroreflektif terpolarisasi) memiliki sinar yang efektif.Sensor yang memantulkan cahaya langsung dari target (yaitu, sensor difus) tidak memiliki sinar yang efektif.

Operasi terang (atau light-on) – output mengubah statusnya saat receiver mendeteksi cahaya.

Operasi gelap (atau dark-on) – output mengubah statusnya saat receiver tidak mendeteksi cahaya.

Excess gain – rasio energi cahaya yang sebenarnya diterima oleh sensor terhadap energi cahaya yang diperlukan untuk mengubah status output.Nilai gain 1 adalah nilai minimum yang diperlukan untuk mengalihkan output.Semua nilai di atas ambang batas ini dianggap sebagai excess gain.Nilai ini berguna untuk menentukan pengoperasian sensor dengan tepat di area yang terkontaminasi.

Excess Gain Maksimum yang Diperlukan	Lingkungan Pengoperasian
1.5X	Udara bersih: Tidak ada endapan kotoran pada lensa atau reflektor.
5X	Sedikit kotor. Ada sedikit endapan debu, kotoran, oli, kelembapan, dan sebagainya pada lensa atau reflektor; lensa dibersihkan secara berkala.
10X	Agak kotor: Kontaminasi pada lensa atau reflektor terlihat jelas, tetapi tidak kabur; lensa dibersihkan sesekali atau ketika diperlukan.
50X	Sangat kotor: Lensa sangat kotor; kabut tebal, kabut, debu, asap, atau lapisan minyak; pembersihan lensa minimal

Juga disebut sebagai pasangan sensor sinar tembus.Transmitter dan receiver dikemas dalam casing terpisah dan dipasang pada posisi berlawanan.Cahaya dikirim dari lensa transmitter dan ditangkap oleh lensa receiver.

Output berubah statusnya ketika target memutus sinar dan receiver menerima sedikit cahaya.Sepanjang ukuran target besar dan cukup padat untuk memutus sinar efektif, warna, bentuk, sudut, reflektivitas, dan permukaan akhir tidak berpengaruh pada aplikasi.Dengan demikian, ini membuatnya lebih andal daripada sensor difus yang bergantung pada pantulan cahaya dari target.

Kelebihan	Kekurangan
Jangkauan pendeteksian jauh Excess gain tinggi (pilihan terbaik untuk lingkungan kotor) Sinar efektif seragam pada seluruh jangkauan Andal mendeteksi objek yang buram Tidak ada “zona mati” dalam seluruh jangkauan pendeteksian	Transmitter dan receiver memiliki casing terpisah dan oleh karena itu, juga memiliki nomor komponen yang terpisah Kedua casing harus dipasang dan dihubungkan dengan kabel, sehingga menambah biaya pemasangan Karena memiliki excess gain yang tinggi, sensor sinar tembus dapat melihat objek transparan dan semi-transparan

Sinar efektif memiliki diameter yang seragam dan kira-kira sama dengan diameter lensa transmitter dan receiver.Selama target minimal sebesar sinar efektif, output akan beralih ketika target memutus sinar.

Output untuk pasangan sensor sinar tembus:

Output operasi terang diaktifkan apabila tidak ada target.
Output operasi gelap diaktifkan apabila ada target.

Ketika memasang beberapa pasangan sensor sinar tembus, berhati-hatilah agar sinar yang dipancarkan dari satu sensor tidak mengganggu receiver lainnya.Solusi yang mudah adalah dengan mengganti transmitter dan receiver seperti terlihat pada gambar.

Objek yang sangat reflektif yang melewati sinar dapat memantulkan cahaya ke receiver yang tidak terkait sehingga menyebabkan kesalahan sinyal.Solusi yang mudah adalah dengan menempatkan penghalang di antara sensor untuk menghambat deviasi pantulan.

Karena sinar matahari memiliki panjang gelombang cahaya yang sama seperti transmitter fotoelektrik, cahaya sekitar yang sangat terang biasanya dapat menipu receiver.Hal ini biasanya terlihat ketika sensor fotoelektrik digunakan untuk pembuka pintu garasi rumah dan sinar matahari pada sudut tertentu dapat mengganggu pengoperasian pintu.Kemungkinan solusinya antara lain adalah dengan cara memiringkan sensor, menambahkan penghalang, atau membalik transmitter dan receiver.

Transmitter dan receiver dikemas dalam casing yang sama dan dipasang berlawanan dengan reflektor.Cahaya dikirim dari lensa transmitter, dipantulkan dari reflektor, dan kembali ke lensa receiver.

Seperti halnya sensor sinar tembus, output akan berubah status ketika ada target yang memutus sinar dan membuat receiver kekurangan cahaya.Sepanjang ukuran target besar dan cukup padat untuk memutus sinar efektif, warna, bentuk, sudut, reflektivitas, dan permukaan akhir tidak berpengaruh pada aplikasi.Dengan demikian, ini membuatnya lebih andal daripada sensor difus yang bergantung pada pantulan cahaya dari target.

Kelebihan	Kekurangan
Jangkauan pendeteksian sedang, karena jalur sinar dua kali lebih panjang dari sensor sinar tembus yang setara Satu casing mengurangi biaya pembelian dan pemasangan Andal mendeteksi objek mengkilap karena dilengkapi filter polarisasi Pemasangan reflektor mudah Andal mendeteksi objek buram dan tidak transparan Tidak ada “zona mati” dalam seluruh jangkauan pendeteksian	Excess gain rendah, bahkan lebih rendah daripada sensor difus karena ada energi yang hilang dari reflektor Tidak andal mendeteksi objek transparan kecuali jika menggunakan “objek terang” khusus Diameter sinar efektif tidak seragam

Sinar efektif adalah salah satu dari sensor retroreflektif terpolarisasi berbentuk kerucut. Di dekat sensor, sinar kira-kira seukuran lensa transmitter.Di dekat reflektor, sinar seukuran reflektor.Ini berarti, objek yang lebih kecil dapat dideteksi apabila dekat dengan sensor, tetapi belum tentu dapat dideteksi apabila dekat dengan receiver.

Output untuk sensor retroreflektif terpolarisasi:

Output operasi terang diaktifkan apabila tidak ada target.
Output operasi gelap diaktifkan apabila ada target.

Reflektor prismatik diperlukan untuk sensor retroreflektif terpolarisasi.Berdasarkan desainnya, reflektor ini memutar sinar cahaya masuk sebesar 90 derajat. Sensor dilengkapi dengan filter polarisasi di atas lensa sehingga gelombang cahaya hanya diarahkan ke satu arah. Reflektor memutar gelombang cahaya agar sesuai dengan orientasi filter pada receiver.

Target mengkilap dapat mengembalikan cahaya intensitas tinggi ke sensor, tetapi karena cahaya tidak diarahkan dengan tepat, target yang mengkilap tidak menyebabkan sinyal kesalahan.

Transmitter dan receiver dalam sensor difus diletakkan dalam casing yang sama. Cahaya yang ditransmisikan dipantulkan kembali ke sensor dari target dan receiver mengevaluasinya.Karakteristik target dan latar belakang di belakang target harus dipertimbangkan dengan cermat ketika memilih solusi yang tepat untuk suatu aplikasi.Excess gain pada sensor difus jauh lebih kecil daripada pasangan sensor sinar tembus, tapi biasanya lebih besar daripada tipe retroreflektif terpolarisasi.

Sensitivitas sensor difus sangat tinggi.Hanya 2% dari transmisi energi cahaya yang dipantulkan dari target yang akan mengalihkan output.

Kelebihan	Kekurangan
Pendeteksian objek langsung tanpa memerlukan reflektor atau casing kedua Biaya pembelian dan pemasangan lebih murah daripada sensor sinar tembus dan retroreflektif terpolarisasi	Jangkauan pendeteksian pendek Sangat bergantung pada karakteristik target seperti warna, tekstur, ukuran, dan bentuk Latar belakang yang bersifat reflektif atau sangat dekat bisa mencegah keandalan pendeteksian Latar belakang yang sangat reflektif seperti kaca jendela atau pita di pakaian bisa menyebabkan kesalahan pada jarak yang lebih jauh daripada jangkauan pendeteksian yang dinyatakan

Pengaruh target:

Objek yang lebih besar memantulkan lebih banyak cahaya sehingga menghasilkan jangkauan pendeteksian yang lebih besar.

Pada sensor cahaya merah yang kasat mata, warna yang lebih terang dapat terdeteksi pada jangkauan yang lebih jauh daripada warna yang lebih gelap.Warna target memiliki pengaruh yang jauh lebih kecil pada sensor inframerah.Permukaan mengkilap dapat terdeteksi pada jarak yang lebih jauh daripada permukaan kusam atau buram.

Permukaan yang halus memiliki kualitas reflektif yang lebih baik dibandingkan permukaan yang kasar.Target plastik biru yang halus, misalnya, akan memantulkan lebih banyak cahaya daripada target beludru biru.

Target datar yang tegak lurus terhadap sensor akan memantulkan lebih banyak cahaya daripada target datar yang miring.Selain itu, target yang tidak datar cenderung membelokkan cahaya menjauhi sensor sehingga mengakibatkan hilangnya energi dan jangkauan pendeteksian.

Interferensi latar belakang
Sensor difus mendeteksi semua cahaya yang dipantulkan ke receiver tanpa tergantung dari mana sumbernya.Cahaya yang memantul dari latar belakang tampak sama dengan cahaya dari target, dan sangat mengganggu apabila latar belakang lebih memantul daripada target, dan apabila target dan latar belakang sangat berdekatan.

Untuk mengurangi pendeteksian latar belakang:

Memodifikasinya dengan mengecat menggunakan cat warna gelap dan kusam.
Mengubah sudut sensor secara relatif terhadap latar belakang.
Mengurangi sensitivitas sensor untuk "mengabaikan" latar belakang.
Menggunakan sensor difus dengan supresi latar belakang bawaan.

Sensor ini adalah sensor difus yang dirancang khusus untuk menghilangkan kesalahan yang tidak disengaja pada latar belakang di belakang target.Beberapa teknologi supresi latar belakang di antaranya: Jangkauan tetap, Prinsip triangulasi, Susunan Dioda, Time-of-flight PMD

Kelebihan	Kekurangan
Tidak ada interferensi dari latar belakang Pendeteksian target secara langsung tanpa reflektor atau casing tambahan Biaya pembelian dan pemasangan lebih murah daripada sensor sinar tembus dan retroreflektif terpolarisasi Versi yang tidak tergantung pada warna tersedia untuk aplikasi jarak pendek	Jangkauan lebih rendah daripada sensor difus standar Lebih mahal daripada sensor difus standar Jangkauan pendeteksian pendek Sangat bergantung pada karakteristik target seperti warna, tekstur, ukuran, dan bentuk Mungkin terdapat “zona mati” di dekat permukaan sensor

Jangkauan tetap
Posisi lensa transmitter dan receiver dimiringkan untuk menghasilkan zona pendeteksian.Objek dalam zona pendeteksian memantulkan cahaya ke lensa receiver dan dideteksi.Objek di luar zona pendeteksian (yang terlalu dekat atau terlalu jauh) tidak memiliki geometri yang tepat untuk mengembalikan cahaya ke receiver.Metode ini biasanya digunakan untuk jarak pendek dan tidak dapat disesuaikan.

Prinsip triangulasi
Teknologi ini menggunakan dua elemen penerima untuk memperoleh supresi latar belakang.Dengan menggunakan potensiometer untuk penyesuaian, cermin diposisikan secara mekanis untuk menentukan titik ketika satu receiver mendeteksi target dan receiver yang lainnya mendeteksi latar belakang.Kemudian sensor disesuaikan di tengah-tengah antara kedua titik ini.Sensor mengevaluasi sudut cahaya yang diterima untuk menentukan apakah cahaya berasal dari target atau latar belakang.

Susunan dioda
Metode ini mirip dengan prinsip triangulasi, kecuali receiver berupa susunan 63 dioda.Receiver tambahan memungkinkan supresi latar belakang yang presisi (yaitu, target dan latar belakang bisa sangat dekat).Sensor susunan diode dilengkapi dengan mikroprosesor dan diprogram secara elektronik melalui tombol tekan.

Time-of-flight PMD
PMD (Photonic Mixer Device) menentukan jarak antara sensor dan objek (serta sensor dan latar belakang) dengan mengukur waktu yang diperlukan cahaya untuk bergerak dari sensor ke target dan kembali lagi.

Dioda laser menghasilkan sinar laser termodulasi.Cahaya yang dipantulkan oleh target diarahkan ke chip fotosensitif (PMD Smart Pixel) melalui lensa.Kemudian, chip ini membandingkan gelombang cahaya yang masuk dan menarik kesimpulan tentang jarak target.

Diagram of sensor using time of flight technology — Gelombang cahaya merambat dari sumber cahaya laser. Apabila cahaya memantul dari target, pola fase bergeser dan pergeseran ini berbanding lurus dengan jarak.

Teknologi eksklusif ini menawarkan:

Pendeteksian yang tangguh pada target reflektif berukuran kecil
Pemasangan cepat karena tidak bergantung pada warna dan sudut
Informasi jarak yang terukur melalui IO-Link

Sensor jarak laser ODG, O1D, O5D dan OID ifm semuanya menggunakan teknologi ini.