Introductie in optische sensoren

Terminologie

Effectieve straal – het gedeelte van de lichtstraal die volledig onderbroken moet worden zodat de sensoruitgang schakelt. Sensoren die schakelen wanneer de lichtstraal wordt onderbroken (d.w.z. door gescheiden zender-ontvangersystemen en gepolariseerde reflectorfotocellen), beschikken over effectieve stralen. Sensoren die het licht rechtstreeks op het object laten reflecteren (d.w.z. reflectorlichttasters) beschikken niet over effectieve stralen.

Lichtschakeling – de uitgang verandert van toestand, zodra de ontvanger licht detecteert.

Donkerschakeling – de uitgang verandert van toestand zodra de ontvanger geen licht detecteert.

Bedrijfsreserve – de verhouding tussen de lichtenergie die daadwerkelijk ontvangen is door de sensor en de benodigde hoeveelheid lichtenergie om de uitgangstoestand te veranderen. Een bedrijfswaarde van 1 is minimaal noodzakelijk om de uitgang te schakelen. Alles boven deze grenswaarde wordt gezien als bedrijfsreserve. Die dient voor het bepalen van de correcte werking van de sensor in vervuilde bereiken.

Noodzakelijke maximale bedrijfsreserve Bedrijfsomgeving
1,5X Schone lucht: Geen vuilophoping op lenzen of reflectoren:
5X Lichte vervuiling. Lichte ophoping van stof, vuil, olie, vocht enz. op lenzen en reflectoren; lenzen worden regelmatig gereinigd.
10X Matige vervuiling: Zichtbare vervuiling op de lenzen en reflectoren, echter niet afgedekt; de lenzen worden sporadisch of wanneer nodig gereinigd.
50X Sterke vervuiling: Sterke verontreiniging van de lenzen; sterke bedekking, versluiering, stof-, rook- of olielaag, minimale reiniging van de lenzen

De effectieve straal heeft een uniforme diameter, die ongeveer overeenkomt met de diameter van de zender- en ontvangerlenzen. Zolang het object minstens zo groot is als de effectieve straal, wordt de uitgang geschakeld, zodra de straal wordt onderbroken door het object.

Uitgangen voor een gescheiden zender-ontvangersysteem-set:

  • De uitgangen voor lichtschakeling worden geactiveerd wanneer het object zich niet in de straal bevindt.
  • De uitgangen voor de donkerschakeling worden geactiveerd wanneer het object de straal onderbreekt.

Montageoverwegingen

Bij de installatie van meerdere gescheiden zender-ontvangersystemen moet worden onderzocht of een sensor van de andere ontvanger niet beïnvloed wordt door de verzonden lichtstraal. Een eenvoudige oplossing hiervoor is het verwisselen van zender en ontvanger, zoals afgebeeld.

Een sterk reflecterend object dat door een straal beweegt, kan licht reflecteren op een ontvanger die niet bij de betreffende zender hoort en daardoor een verkeerd signaal activeren. Een eenvoudige oplossing is om barrières tussen de sensoren te plaatsen, om alle verstrooide reflecties te blokkeren.

Omdat het zonlicht dezelfde lichtgolflengte heeft als optische zenders, kunnen de ontvangers vaak beïnvloed worden door zeer fel omgevingslicht. Dat is bijvoorbeeld te zien bij optische sensoren voor garagedeuropeners die bij woningen worden gebruikt: zonlicht verstoort de werking van de deur bij een bepaalde invalshoek van het licht. Mogelijke oplossingen zijn het kantelen van de sensoren, het toevoegen van een barrière of het verwisselen van de zender en ontvanger.

De effectieve straal van gepolariseerde reflectorfotocellen is conusvormig. In de buurt van de sensor heeft de straal ongeveer de grootte van de zenderlens. In de buurt van de reflector heeft hij de grootte van de reflector. Dat betekent dat kleinere objecten gedetecteerd kunnen worden wanneer ze zich in de buurt van de sensor bevinden, maar niet per se in de buurt van de ontvanger.

Uitgangen voor gepolariseerde reflectorfotocellen:

  • De uitgangen voor lichtschakeling worden geactiveerd wanneer het object zich niet in de straal bevindt.
  • De uitgangen voor de donkerschakeling worden geactiveerd wanneer het object de straal onderbreekt.

Voor gepolariseerde reflectorfotocellen zijn prismatische reflectoren nodig. Vanwege hun ontwerp draaien deze reflectoren de binnenkomende straal 90 graden. De sensoren zijn uitgerust met polariserende filters over de lenzen, zodat de lichtgolven slechts in één richting bewegen. Door de reflector worden de lichtgolven gedraaid en zo aangepast aan de uitlijning van het filter op de ontvanger.

Glanzende objecten kunnen zeer intensief licht op de sensor terug reflecteren, maar omdat het licht niet correct is uitgelijnd, veroorzaken glanzende objecten geen verkeerd signaal.

Reflectorlichttaster

Objectinvloeden:

Grotere objecten reflecteren meer licht, wat tot een groter detectiebereik leidt.

Met sensoren met zichtbaar rood licht kunnen lichtere kleuren met een groter bereik worden gedetecteerd dan donkere kleuren. Bij infraroodlicht is het effect van de objectkleur veel geringer. Glanzende oppervlakken kunnen met een groter bereik worden gedetecteerd dan matte oppervlakken.

Gladde oppervlakken hebben een beter reflecterend vermogen dan ruwe oppervlakken. Een glad blauw object van kunststof reflecteert bijvoorbeeld meer licht dan een blauw object van fluweel.

Vlakke objecten die loodrecht ten opzichte van de sensor liggen, reflecteren meer licht dan vlakke objecten onder een hoek. Verder neigen niet-vlakke objecten ertoe het licht van de sensor af te voeren, wat tot een energieverlies en tot een geringer detectiebereik leidt.

Achtergrondstoring
Een reflectorlichttaster detecteert het totale naar de ontvanger gereflecteerde licht ongeacht de lichtbron. Het licht dat door de achtergrond wordt gereflecteerd, schijnt hetzelfde licht te zijn als het licht dat van het object reflecteert; dat is bijzonder storend wanneer de achtergrond sterker reflecteert dan het object en wanneer het object en de achtergrond zeer dicht bij elkaar liggen.

Om de detectie van de achtergrond te verminderen:

  1. moet deze in een donkere, uniforme kleur worden geschilderd.
  2. moet de hoek van de sensor ten opzichte van de achtergrond worden gewijzigd.
  3. moet de gevoeligheid van de sensor worden verminderd om de achtergrond “te onderdrukken”.
  4. moet een reflectorlichttaster met ingebouwde achtergrondonderdrukking worden gebruikt.

Vast ingestelde bereiken
De positie van de zender- en ontvangerlenzen is haaks en vormt een detectiebereik. Bij objecten binnen het detectiebereik wordt het licht in de ontvangerlens gereflecteerd en gedetecteerd. Objecten buiten het detectiebereik (hetzij te dichtbij of te ver weg), hebben geen correcte geometrie om het licht naar de ontvanger te reflecteren. Dit proces wordt in het algemeen gebruikt voor korte afstanden en kan niet worden aangepast.

Driehoeksmeting
Bij deze technologie worden twee ontvangers voor achtergrondonderdrukking gebruikt. Met behulp van een potentiometer voor de instelling wordt een spiegel mechanisch gepositioneerd om het punt te bepalen waar één ontvanger het object detecteert en de andere ontvanger de achtergrond. De sensor wordt dan halverwege tussen deze twee punten ingesteld. De sensor meet de hoek van het ontvangen licht, om te bepalen of het licht door het object of door de achtergrond wordt gereflecteerd.

Diode-array
Deze methode is vergelijkbaar met het driehoekmetingsprincipe met als uitzondering dat het bij de ontvangers om een 63-delige diode-array gaat. De extra ontvangers maken een exacte achtergrondonderdrukking mogelijk (d.w.z. het object en de achtergrond kunnen zeer dicht bij elkaar liggen). Diode-arraysensoren zijn uitgerust met een microprocessor en worden elektronisch met een druk op de knop geprogrammeerd.

PMD Time-of-Flight
PMD (Photonic Mixer Device) bepaalt de afstand tussen de sensor en het object (evenals de sensor en de achtergrond) door de meting van de tijd die het licht nodig heeft om van sensor naar object en weer terug te gaan.

Een laserdiode genereert een gemoduleerde laserstraal. Het licht dat door het object wordt gereflecteerd, valt via een lens op een fotogevoelige chip (PMD Smart Pixel). De chip vergelijkt dan de binnenkomende lichtgolven en bepaalt zo de afstand tot het object.

Diagram of sensor using time of flight technology

Lichtgolven verspreiden zich vanaf de laserlichtbron. Zodra het licht door het object wordt gereflecteerd, verschuift het fasepatroon recht evenredig met de afstand.

De bedrijfseigen technologie biedt:

  • robuuste detectie van kleine reflecterende objecten
  • Snelle installatie dankzij de kleur- en hoekonafhankelijkheid
  • Gemeten afstandsgegevens via IO-Link

Deze technologie wordt toegepast door alle ODG-, O1D-, O5D- en OID-laserafstandssensoren van ifm.