- M18-Cube: Obudowa ifm oszczędzająca miejsce
- Technologia czujników fotoelektrycznych
Wprowadzenie do czujników fotoelektrycznych
Wszystkie czujniki fotoelektryczne mają te same podstawowe elementy:
- Obudowa – różne kształty, rozmiary i materiały konstrukcyjne
- Podstawowy element czujnika – różni się w zależności od technologii, ale zawsze zawiera system soczewek
- Elektronika – przetwarza to, co czujnik wykrywa
- Podłączenie elektryczne – zapewnia zasilanie i sygnał(y)
Aby jak najlepiej zastosować czujniki fotoelektryczne, pomocne jest zrozumienie widma promieniowania elektromagnetycznego. Czujniki fotoelektryczne ifm pracują w zakresie częstotliwości widzialnych (głównie barwy czerwonej) i w podczerwieni.
| Widzialne światło koloru czerwonego | |
|---|---|
| jest najlepszym „uniwersalnym” typem optycznym i jest zalecany do większości zastosowań. Większość czujników ifm wykorzystuje widzialne światło czerwone. | |
| Zaleta | Wada |
|
Dobra widoczność na krótki dystans, co ułatwia ustawianie |
Zależność od koloru na większych dystansach |
| Światło podczerwone | |
|---|---|
| Zalety | Wada |
|
Niezależność od koloru w większości zasięgów wykrywania Dobry wybór dla środowisk zabrudzonych – ma możliwość „przebicia się” przez kurz, mgłę, opary itp. |
Niewidzialne dla ludzkiego oka, co utrudnia ustawianie |
| Światło laserowe | |
|---|---|
| Zalety | Wady |
|
Zdolność wykrywania małych obiektów na dużych odległościach Mała plamka świetlna umożliwia precyzyjne ustawianie punktów przełączania Jaskrawoczerwona widoczna wiązka może być używana jako pomoc przy ustawianiu |
Laserowe diody LED są zazwyczaj droższe niż standardowe diody LED do widzialnej czerwieni lub podczerwieni |
Terminologia
Światło modulowane – światło wysyłane przez nadajnik jest impulsowane z częstotliwością unikalną dla każdej rodziny czujników. Odbiornik jest dostrojony do wykrywania światła modulowanego przy tej częstotliwości i ignorowania światła otoczenia z innych źródeł.
Częstotliwość przełączania – maksymalna prędkość, z jaką czujnik będzie dostarczał oddzielne impulsy, gdy obiekt wchodzi i wychodzi ze strefy wykrywania.Po prostu - tak szybko czujnik może włączać i wyłączać wyjście podczas przechodzenia obiektu.
Kontrast – różnica w kolorze i jasności pomiędzy dwoma przedmiotami. Biały jest najłatwiejszym do wykrycia kolorem, a czarny jest najtrudniejszym.
Punkt lub plamka świetlna – średnica wysyłanej wiązki światła w danej odległości. Wymiar ten jest zazwyczaj przedstawiany w kartach produktu dla maksymalnego zasięgu i jest funkcją kąta przysłony soczewki nadajnika.
Wiązka skuteczna – obszar wiązki światła, który musi być całkowicie przerwany, aby wyjście czujnika mogło zmienić stan.Czujniki, które włączają się po przerwaniu wiązki światła (tzn., czujniki z wiązką przechodzącą i spolaryzowane czujniki retro-refleksyjne) mają skuteczne wiązki.Czujniki odbijające światło bezpośrednio od obiektu (tzn. czujniki dyfuzyjne) nie mają skutecznych wiązek.
Uruchamianie przez światło (lub światło-włącz) – wyjście zmienia stan po wykryciu światła przez odbiornik.
Uruchamianie przez ciemność (lub ciemno-włącz) – wyjście zmienia stan gdy odbiornik nie wykrywa światła.
Nadmiar wzmocnienia – stosunek energii świetlnej faktycznie odebranej przez czujnik do energii świetlnej wymaganej do zmiany stanu wyjścia.Wartość wzmocnienia 1 jest wartością minimalną wymaganą do przełączenia wyjścia.Wszystko powyżej tego progu jest uważane za nadmiar wzmocnienia.Jest to przydatne przy określaniu prawidłowej pracy czujnika w obszarach zanieczyszczonych.
| Maksymalny wymagany nadmiar wzmocnienia | Środowisko pracy |
|---|---|
| 1.5X | Czyste powietrze: Brak gromadzenia się brudu na soczewkach lub odbłyśnikach. |
| 5X | Lekkie zabrudzenie. Niewielkie nagromadzenie kurzu, brudu, oleju, wilgoci itp. na soczewkach lub odbłyśnikach; soczewki są czyszczone zgodnie z regularnym harmonogramem. |
| 10X | Średnie zabrudzenie: Widoczne zanieczyszczenie soczewek lub odbłyśników, ale bez przesłonięcia; soczewki są czyszczone okazjonalnie lub w razie potrzeby. |
| 50X | Duże zabrudzenie: Silne zabrudzenie soczewek; gęsta mgła, opary, kurz, dym lub warstwa oleju, minimalne oczyszczanie soczewek |
Bramki świetlne
Znane również jako pary wiązek przechodzących - bramki.Nadajnik i odbiornik są pakowane w oddzielnych obudowach i montowane naprzeciwko siebie.Światło jest wysyłane z soczewki nadajnika i odbierane przez soczewkę odbiornika.
Wyjście zmienia stan, gdy obiekt przerywa wiązkę i blokuje odbiornikowi światło.Tak długo, jak obiekt jest wystarczająco duży i solidny, aby przerwać skuteczną wiązkę, kolor, kształt, kąt, odbicie i wykończenie powierzchni nie będą miały wpływu na zastosowanie.To czyni je bardziej niezawodnymi niż czujniki dyfuzyjne, które zależą od odbicia światła od obiektu.
| Zalety | Wady |
|
|
Wiązka skuteczna jest jednorodna pod względem średnicy i jest w przybliżeniu równa średnicy soczewek nadajnika i odbiornika.Tak długo, jak obiekt jest co najmniej tak duży jak wiązka skuteczna, wyjście przełącza się, gdy obiekt przerywa wiązkę.
Wyjścia dla pary wiązki przechodzącej - barier:
- Wyjścia przełączane światłem włączają się, gdy obiektu nie ma.
- Wyjścia przełączane ciemnością włączają się, gdy obiekt się pojawia.
Do rozważenia przy instalacji
W przypadku montażu wielu czujników barierowych należy zwrócić uwagę, aby wiązka jednego z czujników nie zakłócała pracy innych odbiorników.Proste rozwiązanie polega na zmianie nadajników i odbiorników, jak pokazano na rysunku.
Wysoce odblaskowy przedmiot przechodzący przez wiązkę może odbijać światło na niepowiązany odbiornik, powodując fałszywy sygnał.Prostym rozwiązaniem jest umieszczenie przesłon pomiędzy czujnikami, aby zablokować wszelkie przypadkowe odbicia.
Ponieważ światło słoneczne zawiera takie same długości fali jak nadajniki fotoelektryczne, bardzo jasne światło otoczenia może często wprowadzać odbiorniki w błąd.Jest to często spotykane, gdy czujniki fotoelektryczne są używane do otwierania drzwi garażowych w domu, a światło słoneczne pod pewnym kątem może zakłócać działanie bramy.Możliwe rozwiązania obejmują regulację kątów czujników, dodanie przesłony lub odwrócenie nadajnika i odbiornika.
Polaryzowane czujniki retro-refleksyjne
Nadajnik i odbiornik są umieszczone w tej samej obudowie i zamontowane naprzeciwko odbłyśnika.Światło jest wysyłane przez soczewkę nadajnika, odbija się od odbłyśnika i powraca do soczewki odbiornika.
Podobnie jak w przypadku czujników barierowych, wyjście zmienia stan, gdy obiekt przerywa wiązkę i blokuje odbiornikowi światło.Tak długo, jak obiekt jest wystarczająco duży i solidny, aby przerwać skuteczną wiązkę, kolor, kształt, kąt, odbicie i wykończenie powierzchni nie będą miały wpływu na zastosowanie.To czyni je bardziej niezawodnymi niż czujniki dyfuzyjne, które zależą od odbicia światła od obiektu.
| Zalety | Wady |
|
|
Wiązka skuteczna spolaryzowanego czujnika retro- refleksyjnego ma kształt stożka. W pobliżu czujnika wiązka jest w przybliżeniu wielkości soczewki nadajnika.W pobliżu odbłyśnika ma rozmiar odbłyśnika.Oznacza to, że mniejsze przedmioty mogą być wykrywane w pobliżu czujnika, ale niekoniecznie w pobliżu odbiornika.
Wyjścia dla spolaryzowanego, czujnika retro-refleksyjnego:
- Wyjścia przełączane światłem włączają się, gdy obiekt nie występuje.
- Wyjścia przełączane brakiem światła włączają się, gdy obiekt występuje.
Odbłyśniki pryzmatyczne są wymagane dla spolaryzowanych czujników odblaskowych.Z uwagi na konstrukcję odbłyśniki te obracają przychodzącą wiązkę światła o 90 stopni. Czujniki są wyposażone w filtry polaryzacyjne za soczewką, dzięki czemu fale świetlne są zorientowane tylko w jednym kierunku.Odbłyśnik obraca fale świetlne, aby dopasować się do orientacji filtra na odbiorniku.
Błyszczące obiekty mogą odbijać intensywne światło do czujnika, ale ponieważ światło nie jest właściwie zorientowane, błyszczące obiekty nie wywołają fałszywego sygnału.
Czujniki dyfuzyjne
Nadajnik i odbiornik w czujniku dyfuzyjnym znajduje się w tej samej obudowie. Przesyłane światło odbija się od obiektu i wraca do czujnika, a jego odbiornik analizuje je.[nasp]Ważne jest, aby dokładnie rozważyć właściwości obiektu i tła za obiektem przy wyborze właściwego rozwiązania dla danego zastosowania.Czujniki dyfuzyjne mają znacznie niższy nadmiar wzmocnienia niż bramki, ale zazwyczaj wyższy niż spolaryzowane czujniki retro-refleksyjne.
Czułość czujników dyfuzyjnych jest bardzo wysoka.Tylko 2% energii światła odbitej od obiektu spowoduje przełączenie wyjścia.
| Zalety | Wady |
|
|
Oddziaływania obiektu:
Większe przedmioty odbijają więcej światła, co skutkuje większym zasięgiem wykrywania.
W przypadku czujników z widzialnym światłem czerwonym, jaśniejsze kolory mogą być wykrywane przy większym zasięgu niż ciemniejsze kolory.Kolor obiektu ma znacznie mniejszy wpływ na czujniki podczerwieni.Błyszczące powierzchnie można wykrywać w większym zasięgu niż powierzchnie płaskie lub matowe.
Powierzchnie gładkie mają lepszą jakość odbicia niż powierzchnie szorstkie.Na przykład gładki niebieski plastikowy obiekt odbija więcej światła niż niebieski zamszowy obiekt.
Obiekty płaskie prostopadłe do czujnika odbijają więcej światła niż obiekty płaskie pod kątem.Ponadto obiekty niepłaskie mają tendencję do odchylania wiązki światła od osi czujnika, co powoduje utratę energii i zasięgu wykrywania.
Zakłócenia od tła
Czujnik dyfuzyjny wykrywa całe światło odbijane do odbiornika, niezależnie od jego źródła.Światło odbijające się od tła wydaje się takie samo jak światło obiektu i jest szczególnie kłopotliwe, gdy tło jest bardziej odblaskowe niż obiekt oraz gdy obiekt i tło są bardzo blisko siebie.
Aby zmniejszyć wykrywanie tła:
- Zmienić je, malując je ciemną, matową farbą.
- Zmienić kąt nachylenia czujnika względem tła.
- Zmniejszyć czułość czujnika, aby „odstroić” tło.
- Użyć czujnika dyfuzyjnego z wbudowanym tłumieniem tła.
Czujniki z tłumieniem tła
Czujniki te są specjalnie zaprojektowanymi czujnikami dyfuzyjnymi, które eliminują fałszywe wykrywanie tła za obiektem.Kilka technologii tłumi tło, w tym: Stały zasięg, zasada triangulacji, matryca diodowa, technologia PMD time-of-flight
| Zalety | Wady |
|
|
Stały zasięg pomiaru
Soczewki nadajnika i odbiornika są ustawione pod kątem w celu utworzenia strefy wykrywania.Obiekty w strefie wykrywania odbijają światło do soczewki odbiorczej i są wykrywane.Obiekty znajdujące się poza strefą wykrywania (zbyt blisko lub zbyt daleko) nie mają odpowiedniej geometrii, aby zwrócić światło do odbiornika.Ta metoda jest zwykle stosowana na małe dystanse i nie oferuje możliwości regulacji.
Zasada triangulacji
Technologia ta wykorzystuje dwa elementy odbiorcze w celu uzyskania tłumienia tła.Za pomocą potencjometru do regulacji lustro jest mechanicznie ustawiane w celu określenia punktu, w którym jeden odbiornik wykrywa obiekt, a drugi tło.Czujnik jest następnie ustawiany w połowie drogi między tymi dwoma punktami.Czujnik ocenia kąt odbieranego światła, aby ustalić, czy światło pochodzi od obiektu czy od tła.
Matryca diodowa
Metoda ta jest podobna do zasady triangulacji, z wyjątkiem tego, że odbiorniki stanowią 63-diodową matrycę.Dodatkowe odbiorniki pozwalają na precyzyjne tłumienie tła (tj. obiekt i tło mogą być bardzo blisko).Czujniki matrycy diodowej są wyposażone w mikroprocesor i są programowane elektronicznie za pomocą przycisków.
PMD time-of-flight
PMD (Photonic Mixer Device) określa odległość pomiędzy czujnikiem i przedmiotem (oraz czujnikiem i tłem) poprzez pomiar czasu przelotu światła od czujnika do obiektu i z powrotem.
Dioda laserowa generuje modulowaną wiązkę laserową.Światło odbite przez obiekt jest kierowane na światłoczuły układ scalony (PMD Smart Pixel) przez soczewkę. Układ porównuje następnie przychodzące fale świetlne i wyciąga wnioski dotyczące odległości obiektu.
Fale świetlne rozchodzą się od źródła światła laserowego. Kiedy światło odbija się od obiektu, zmienia się wzorzec fazy, a przesunięcie jest wprost proporcjonalne do odległości.
Ta zastrzeżona technologia oferuje:
- Solidne wykrywanie małych obiektów odbijających światło
- Szybką instalację dzięki niezależności od koloru i kąta
- Informacje o mierzonej odległości poprzez IO-Link
Laserowe czujniki odległości OGD, O1D, O5D i OID firmy ifm wykorzystują tę technologię.