Introdução aos Sensores ópticos

Para usar sensores ópticos o melhor possível, é aconselhável entender o espectro de radiação eletromagnética. Sensores ópticos ifm operam em faixa de frequência visível (principalmente vermelha) e infravermelhas.

Luz vermelha visível
é o melhor tipo de luz "disponível atualmente" e é recomendada para a maioria das aplicações. A maioria dos sensores ifm utilizam luz vermelha visível.
Vantagem Desvantagem

Fácil de identificar em curtos alcances, facilita a colocação em funcionamento

Dependente de cor no caso de longos alcances de detecção

Luz infravermelha
Vantagens Desvantagem

Independentemente de cor na maioria dos alcances

Boa escolha para aplicações em ambientes sujos: tem a capacidade de penetrar em poeira, neblina, vapor, etc.

Invisível para o olho humano, o que dificulta a configuração

Luz laser
Vantagens Desvantagens

Capacidade de detectar objetos pequenos a longas distâncias

Pequeno ponto de luz permite pontos de comutação precisos

O pequeno raios de luz vermelho visível pode ser usado para ajudar a configuração

LEDs laser são normalmente mais caros do que LEDs padrões visíveis com luz vermelha ou luz infravermelha

Terminologia

Raio efetivo: área do raio de luz que deve ser interrompida totalmente, para que a saída do sensor comute.Sensores que comutam, quando o raio de luz é interrompido (isto significa, através de barreiras fotoelétricas ou barreiras fotoelétricas polarizadas), possuem raios efetivos.Sensores que deixam refletir a luz diretamente do objeto, (isto significa, sensor de reflexão difusa), não possuem um raio efetivo.

Modo luz: a saída muda o seu estado, assim que o receptor detecta luz.

Modo escuro: a saída muda o seu estado, quando o receptor não detecta luz.

Capacidade de reserva: relação entre a energia luminosa que o sensor recebe e a energia necessária para mudar o estado da saída.Para comutar a saída é necessário pelo menos um valor de operação 1.Tudo o que estiver acima deste valor limite é considerado como capacidade de reserva.É útil para determinar a função apropriada do sensor em ambiente contaminado.

Capacidade de reserva máxima necessária Ambiente de operação
1.5X Ar puro: nenhum acúmulo de sujeira sobre lentes ou refletores.
5X Sujeira leve. Pequeno acúmulo de poeira, sujeira, óleo, umidade etc. sobre lentes e refletores. As lentes são limpas regularmente.
10X Sujeira moderada: sujeira óbvia das lentes e refletores, porém não encobertas. As lentes são limpas esporadicamente ou de acordo com a necessidade.
50X Muita sujeira: lentes muito sujas, muito opacas, nebulosidade, camada de poeira, fumaça e óleo. Limpeza mínima das lentes.

O raio efetivo possui um diâmetro uniforme que correspondem aproximadamente aos diâmetros das lentes do emissor e do receptor.Enquanto o objeto for pelo menos tão grande quanto o raio efetivo, a saída será acionada assim que o raio for interrompido pelo objeto.

Saídas para um par de barreiras fotoelétricas:

  • As saídas para modo luz são ativadas quando o objeto não estiver persente.
  • As saídas para modo escuro são ativadas quando o objeto estiver presente.

Considerações de instalação

Se forem instalados vários pares de barreiras fotoelétricas, deve-se assegurar que os sensores dos outros receptores não sejam interferidos pelo raio de luz transmitido.Uma solução simples neste caso é trocar o emissor e o receptor como mostrado na imagem.

Um objeto altamente refletor que se move por um raio, pode refletir luz sobre um receptor não pertencente e com isso provocar um falso sinal.Uma solução simples é posicionar as barreiras entre os sensores para bloquear todas as reflexões dispersas.

Como a luz solar tem sempre o mesmo comprimento de ondas que emissores ópticos, os receptores podem ser frequentemente influenciados por luz ambiente muito clara.Isto se observa normalmente quando sensores ópticos são usados em sistemas residenciais de abertura de portões de garagem nos quais a luz solar em um determinado ângulo, interfere no funcionamento de abertura do portão.Este problema pode ser solucionado através da regulagem do ângulo dos sensores, inserindo uma barreira ou trocando o emissor e o receptor.

O raio efetivo de sensores de reflexão difusa polarizados tem a forma de um cone. Perto do sensor, o raio tem aproximadamente o tamanho da lente do emissor.Perto do refletor, o raio é do tamanho do refletor.Isto significa que objetos menores podem ser detectados se estiverem próximos ao sensor, porém não necessariamente próximo do receptor.

Saídas para barreiras fotoelétricas polarizadas:

  • As saídas para modo luz são ativadas quando o objeto não estiver persente.
  • As saídas para modo escuro são ativadas quando o objeto estiver presente.

Refletores prismáticos são necessários para barreiras fotoelétricas polarizadas. Devido ao seu modelo, estes refletores giram em 90 graus o raio de luz incidente. Os sensores são equipados com filtros polarizadores localizados acima das lentes, de modo que as ondas de luz se movem em apenas uma direção. As ondas de luz são giradas através do refletor e assim se adaptam à direção do filtro no receptor.

Objetos brilhantes podem refletir luz altamente intensa sobre o sensor, e como a luz não está direcionada corretamente, os objetos brilhantes não provocam um falso sinal.

Sensor de reflexão difusa

Influências do objeto:

Objetos maiores refletem mais luz, o que leva a um maior alcance de detecção.

Com sensores com luz vermelha visível, as cores mais claras podem ser detectadas com um maior alcance do que as escuras.A cor do objeto tem um efeito muito menor sobre sensores infravermelhos.Superfícies brilhantes podem ser detectadas com um alcance maior do que superfícies foscas.

Superfícies lisas possuem uma melhor qualidade de reflexão do que superfícies ásperas.Um objeto de plástico azul liso reflete por exemplo mais luz do que um objeto azul de veludo.

Objetos planos posicionados verticalmente em relação ao sensor refletem mais luz do que objetos posicionados em um ângulo.Objetos não planos também tendem à desviar a luz do sensor, o que leva à perda de energia e à um menor alcance de detecção.

Interferência de plano de fundo
Um sensor de reflexão difusa detecta toda a luz refletida para o receptor independentemente da fonte de luz.A luz refletida pelo plano de fundo parece ser a mesma luz refletida pelo objeto. isto interfere especialmente quando o plano de fundo refletir com mais intensidade do que o objeto e quando o objeto estiver muito próximo do plano de fundo.

Para reduzir a detecção do plano de fundo:

  1. este deve ser pintado com uma cor escura e homogênea.
  2. o ângulo do sensor em relação ao plano de fundo dever ser alterado.
  3. a sensibilidade do sensor deve ser diminuída para "ocultar" o plano de fundo.
  4. dever ser usado um sensor de reflexão difusa com supressão de fundo integrada.

Alcances de detecção fixos
A posição da lente do emissor e do receptor é angular e forma uma área de detecção.No caso de objetos dentro da área de detecção, a luz é refletida e detectada na lente do receptor.Objetos fora da área de detecção (muito próximo ou muito distante) não têm uma geometria correta para refletir a luz para o receptor.Este processo é usado normalmente para alcances de detecção curtos e não pode ser ajustado.

Princípio de triangulação
Esta tecnologia usa dois receptores para obter a supressão de fundo.Usando um potenciômetro para ajustar, um espelho é posicionado mecanicamente para determinar o ponto no qual um receptor detecta o objeto e o outro detecta o plano de fundo.O sensor é então ajustado no meio do caminho entre esses dois pontos.O sensor mede o ângulo da luz recebida para determinar se a luz é refletida pelo objeto ou pelo plano de fundo.

Linha de diodos
Este método é comparável com o princípio de triangulação exceto que os receptores são uma linha de 63 diodos.O receptor adicional permite uma supressão de fundo exata (ou seja, o objeto e o plano de fundo podem estar muito próximos um do outro).Sensores com linha de diodos possuem um microprocessador e são programados eletronicamente pressionando um botão.

PMD Time-of-Flight
PMD (Photonic Mixer Device) determina a distância entre o sensor e o objeto (assim como o sensor e o plano de fundo) através da medição do tempo que a luz precisa para ir do sensor para o objeto e voltar.

Um diodo laser gera um raio laser modulado.A luz refletida pelo objeto é conduzida através de uma lente para um chip fotossensível (PMD Smart Pixel).O chip compara as ondas de luz incidentes e determina assim a distância do objeto.

Diagram of sensor using time of flight technology

Ondas de luz se propagam a partir da fonte de luz laser. Assim que a luz do objeto reflete, o padrão das fases se desloca de maneira diretamente proporcional à distância.

A tecnologia própria do usuário oferece:

  • Detecção robusta de pequenos objetos refletores
  • Rápida instalação graças à independência de cor e de ângulo
  • Informação de distância medida pelo IO-Link

Esta tecnologia é usada por todos os sensores de distância laser ifm ODG, O1D, O5D e OID.