Представление фотоэлектрических датчиков

Чтобы лучше всего применять фотоэлектрические датчики, полезно понимать спектр электромагнитного излучения. Фотоэлектрические датчики ifm работают в видимом (преимущественно красном) и инфракрасном частотном диапазоне.

Видимый красный свет
Является лучшим типом освещения и рекомендуется для большинства применений. Большинство датчиков ifm использует видимый красный свет.
Преимущество Недостатки

Хорошо видимый на короткое расстояние, что помогает при настройке

Зависимость от цвета на большие расстояния

Инфракрасный свет
Преимущества Недостатки

Независимый от цвета для большинства расстояний срабатывания

Хороший выбор для загрязненной среды - он проникает сквозь пыль, туман, пар и т.д.

Инфракрасный свет невидимый для человеческого глаза, что делает настройку более сложной

Лазерный свет
Преимущества Недостатки

Способность обнаруживать небольшие объекты на большое расстояние

Небольшое световое пятно обеспечивает точные точки переключения

Яркий красный видимый луч света можно использовать в качестве помощи для настройки

Лазерные светодиоды более дорогие, чем стандартные светодиоды с видимым красным или инфракрасным светом

Терминология

Модулированный световой луч – Свет, излучаемый излучателем, пульсирует с частотой, уникальной для каждого семейства датчиков. Приемник настроен на обнаружение света, модулированного на этой частоте, и игнорирует окружающий свет от других источников.

Частота переключения – максимальная скорость, с которой датчик будет передавать дискретные импульсы, когда объект входит и покидает чувствительное поле.Проще говоря, как быстро датчик может включаться и выключаться, когда объект проходит мимо него.

Контраст – разница в цвете и яркости между двумя объектами. Белый - самый легкий цвет для обнаружения, а черный - самый трудный для обнаружения.

Пятно луча (или световое пятно) – диаметр проходящего луча света на заданном расстоянии. Этот размер обычно указывается в технической спецификации в максимальном диапазоне, и он является функцией угла обзора объектива излучателя.

Эффективный луч – область светового луча, которая должна быть полностью прервана, чтобы выход датчика изменил состояние.Датчики, которые переключаются, когда световой луч нарушается (т.е. однолучевые световые барьеры и поляризованные отражательные световые затворы) имеют эффективные лучи.Датчики, которые отражают свет непосредственно от объекта (т.е. диффузные датчики) не имеют эффективных лучей.

Срабатыване на свет – выход изменяет состояние, когда приёмник обнаруживает свет.

Срабатывание на темноту – выход изменяет состояние когда приёмник не обнаруживает свет.

Эксплуатационный резерв – соотношение световой энергии, фактически получаемой датчиком и световой энергии, необходимой для изменения состояния выхода.Значение 1 - это минимум, необходимый для переключения выхода. Все, что выше этого порога, считается эксплуатационным резервом.Это полезно при определении правильной работы датчика в загрязненных зонах.

Максимальный требуемый эксплуатационный резерв Рабочая среда
1.5X Чистый воздух: отсутствие отложения грязи на объективах или рефлекторах.
5X Слегка загрязненная среда. Лёгкие отложения пыли, грязи, масла, влажность и т.д. на объективах или рефлекторах; объективы регулярно очищаются.
10X Среднее загрязнение: Очевидное загрязнение линз или отражателей, но не затемняющее; объектив очищается время от времени или при необходимости.
50X Большое загрязнение: Сильное загрязнение объектива; сильный туман, аэрозоль, пыль, дым, или слой масла, минимальная очистка объектива.

Однолучевые световые барьеры

Преимущества Недостатки
  • Большое расстояние срабатывания
  • Большой эксплуатационный резерв (лучший выбор для загрязненной среды)
  • Равномерный эффективный луч во всем диапазоне
  • Надежное обнаружение прозрачных объектов
  • Отсутствие "мёртвых зон" во всём диапазоне срабатывания
  • Излучатель и приёмник находятся в разных корпусах и, следовательно, у них различный код товара
  • Оба корпуса необходимо установить и подключить, увеличение затрат на установку
  • Благодаря высокому эксплуатационному резерву однолучевые световые барьеры "видят" через прозрачные и полупрозрачные объекты

Эффективный луч имеет однородный диаметр и приблизительно равен диаметру линз (объектива) излучателя и приемника.До тех пор, пока объект, по крайней мере, такого же размера, как эффективный луч, выход будет переключаться, только когда объект прервёт луч.

Выходы для однолучевых световых барьеров:

  • Выходы, срабатывающие на свет, включаются когда объект отсутствует.
  • Выходы, срабатывающие на темноту, включаются когда объект присутствует.

Особенности установки

При установке нескольких датчиков со сквозным лучом, обратите внимание на то, чтобы излучаемый луч от одного датчика не мешал другим приёмникам.Простое решение заключается в чередовании передатчиков и приемников, как показано.

Сильно отражающий объект, проходящий через луч, может отражать свет на другой приемник, вызывая ложный сигнал. Простое решение: разместите барьеры между датчиками, чтобы заблокировать любые паразитные отражения.

Поскольку солнечный свет содержит те же длины волн света, что и фотоэлектрические датчики, очень яркий окружающий свет часто может обмануть приемники.Это обычно видно, когда фотоэлектрические датчики используются для открывания дверей в гараже, и солнечный свет под определенным углом может повлиять на работу ворот.Возможные решения: изменить наклон датчиков, добавить барьер или изменить направление излучателя и приемника.

Поляризационные отражательные световые затворы

Преимущества Недостатки
  • Средний диапазон срабатывания, так как траектория луча вдвое больше, чем у ответной части датчика со сквозным лучом
  • Один корпус снижает затраты на закупку и установку
  • Надежное обнаружение блестящих объектов благодаря встроенным поляризационным фильтрам
  • Простая установка отражателя
  • Надежное обнаружение непрозрачных объектов
  • Отсутствие "мертвой зоны" во всём диапазоне срабатывания
  • Низкий эксплуатационный резерв, даже ниже, чем у отражательной ответной части, поскольку есть потери энергии от отражателя
  • Ненадежное обнаружение прозрачных объектов, если не используются специальные модели «прозрачных объектов»
  • Неоднородный эффективный диаметр пучка

Эффективный луч поляризованных отражательных световых затворов имеет форму конуса. Рядом с датчиком луч приблизительно равен размеру линзы передатчика.Рядом с отражателем - это размер отражателя.Это означает, что меньшие объекты могут быть обнаружены в непосредственной близости от датчика, но не обязательно когда они находятся рядом с приемником.

Выходы поляризованных отражательных световых затворов:

  • Выходы, срабатывающие на свет, включаются когда объект отсутствует.
  • Выходы, срабатывающие на темноту, включаются когда объект присутствует.

Для поляризованных отражательных световых затворов необходимы призматические отражатели.Благодаря своей конструкции эти отражатели поворачивают входящий световой луч на 90 градусов. Объективы датчика оснащены поляризационными фильтрами, поэтому световые волны ориентированы только в одном направлении. Отражатель поворачивает световые волны в соответствии с ориентацией фильтра на приемнике.

Блестящие объекты могут отражать свет высокой интенсивности на датчик, но так как свет неправильно ориентирован, блестящие объекты не вызовут ложного сигнала.

Диффузные датчики

Преимущества Недостатки
  • Обнаружение объектов без отражателя или второго датчика
  • Меньшие затраты на приобретение и установку, чем у однолучевых барьеров и поляризованных отражательных световых затворов
  • Короткий диапазон срабатывания
  • Сильно зависит от характеристик объекта, таких как цвет, текстура, размер и форма
  • Отражающий или очень близкий задний фон может помешать надежному обнаружению
  • Сильно отражающий задний фон, такой как оконное стекло или светоотражающая лента на одежде, могут вызвать ложные срабатывания на большем расстоянии, чем указанный диапазон чувствительности

Влияние объектов:

Большие объекты отражают больше света, в результате чего увеличивается диапазон срабатывания.

С помощью датчиков с видимым красным цветом, светлые цвета можно обнаруживать с большего расстояния, чем более темные. Цвет объекта оказывает гораздо меньшее влияние на инфракрасные датчики.Блестящие поверхности могут быть обнаружены на большем расстоянии, чем плоские или матовые поверхности.

Гладкие поверхности имеют лучшее качество отражения, чем шероховатые поверхности. Гладкая голубая пластиковая мишень, например, будет отражать больше света, чем синяя бархатная мишень.

Плоские объекты, перпендикулярные датчику, будут отражать больше света, чем плоские объекты под углом.Кроме того, неплоские объекты имеют тенденцию отклонять свет от датчика, что приводит к потере энергии и расстояния срабатывания.

Фоновые помехи:
Диффузный датчик обнаруживает весь свет, отраженный в приемник, независимо от его источника.Свет, отражающийся от заднего фона, кажется таким же, как свет от объекта, и особенно вызывает проблемы, когда задний фон является более отражающим, чем объект, и когда объект и фон находятся очень близко друг к другу.

Чтобы уменьшить обнаружение фона:

  1. Измените его, покрасив его в тёмный цвет.
  2. Измените угол датчика относительно заднего фона.
  3. Уменьшите чувствительность датчика, чтобы «отрегулировать» задний фон.
  4. Используйте диффузный датчик со встроенным подавлением заднего фона.

Датчики с подавлением заднего фона

Преимущества Недостатки
  • Никаких помех от заднего фона
  • Обнаружение объекта без отражателя или дополнительного датчика
  • Меньшие затраты на приобретение и установку, чем у однолучевых барьеров и поляризованных отражательных световых затворов
  • Независимые от цвета исполнения доступны для применения на короткое расстояние
  • Меньший диапазон, чем у стандартных диффузных датчиков
  • Дороже, чем стандартные диффузные датчики
  • Короткий диапазон срабатывания
  • Высокая зависимость от таких характеристик объекта, как цвет, текстура, размер и форма
  • Могут иметь «мертвую зону» близко к чувствительной поверхности датчика

Неизменный диапазон
Линзы излучателя и приемника расположены под углом, чтобы создать зону обнаружения.Объекты в зоне обнаружения отражают свет в линзу приёмника.Объекты за пределами зоны обнаружения (либо слишком близко, либо слишком далеко) не имеют правильной геометрии для возврата света в приемник.Этот метод обычно используется для короткого расстояния и не регулируется.

Принцип триангуляции
Эта технология использует два приёмника для подавления заднего фона.Используя потенциометр для регулировки, зеркало механически устанавливается для определения точки, где один приемник обнаруживает объект, а другой обнаруживает фон.Затем датчик настраивается на полпути между этими двумя точками.Датчик вычисляет угол принятого света, чтобы определить, исходит ли свет от объекта или фона.

Диодная матрица
Этот метод аналогичен принципу триангуляции, за исключением того, что приемники представляют собой 63-диодную матрицу.Дополнительные приемники обеспечивают точное подавление фона (т.е. объект и задний фон могут находится очень близко друг друга).Датчики с диодной матрицей оснащены микропроцессором и программируются электронным способом с помощью кнопок.

PMD время пролёта луча
PMD (фотонное смешивающее устройство) определяет расстояние между датчиком и объектом (и датчиком и задним фоном) измеряя время, которое необходимо лучу света для перемещения от датчика к объекту и обратно.

Лазерный диод генерирует модулированный лазерный луч.Свет, отраженный от цели, направляется на светочувствительный чип (PMD Smart Pixel) через объектив.Затем чип сравнивает входящие световые волны и вычисляет расстояние объекта.

Diagram of sensor using time of flight technology

Световые волны распространяются от лазерного источника света. Когда свет отражается от объекта, фазовый портрет смещается, и смещение прямо пропорционально расстоянию.

Эта запатентованная технология обеспечивает:

  • Надежное обнаружение небольших отражающих объектов
  • Быстрая установка благодаря независимости от цвета и угла
  • Информация об измеренном расстоянии через IO-Link

Все лазерные датчики измерения расстояния ODG, O1D, O5D и OID используют эту технологию.