Introduktion till fotoceller

Terminologi

Effektiv ljusstråle – det område hos ljusstrålen som helt måste brytas för att givarens output ska ändra läge. Givare som kopplar när ljusstrålen bryts (dvs. Enkelavkännande- och polariserad reflexgivare har effektiva strålar. Givare som studsar ljus direkt från målet (dvs. Direktavkännande givare har inte effektiva strålar.

Ljusdrift (eller ljus-på) – output ändrar läge när mottagaren detekterar ljus.

Mörkerdrift (eller mörker-på) – output ändrar läge när mottagaren inte detekterar ljus.

Överförstärkning – förhållandet mellan ljusenergin som faktiskt tas emot av givaren och ljusenergin som krävs för att ändra output-läge. Ett förstärkningsvärde på 1 är det lägsta som krävs för att växla output. Alla värden ovanför denna tröskel anses vara överförstärkning. Det är användbart när man bestämmer hur givaren ska användas i smutsiga miljöer.

Maximal överförstärkning som krävs Driftmiljö
1,5X Ren luft: Ingen ansamling av smuts på linser eller reflektorer.
5X Lätt smutsig. Lätt ansamling av damm, smuts, olja, fukt etc. på linser eller reflektorer; linser rengörs regelbundet.
10X Måttligt smutsig: Uppenbar nedsmutsning av linser eller reflektorer, men de är inte täckta; linser rengörs ibland eller vid behov.
50X Mycket smutsig: Kraftig nedsmutsning av linser; tjock dimma, dis, damm, rök eller oljehinna, minimal rengöring av linser

Den effektiva strålens diameter är enhetlig och är ungefär lika stor som diametern hos sändarens och mottagarens linser.Så länge målet är minst lika stort som den effektiva strålen kommer output att växla när målet bryter strålen.

Output för ett sändar/mottagar-par:

  • Ljusdrift – output slås på när målet inte är närvarande.
  • Mörkerdrift – output slås på när målet är närvarande.

Överväganden vid installation

När flera sändar/mottagar-par ska monteras bör du se till att den utsända strålen från en givare inte stör andra mottagare.En enkel lösning är att alternera sändare och mottagare enligt bilden.

Ett starkt reflektivt föremål som passerar genom en stråle kan reflektera ljus mot en orelaterad mottagare och orsaka en falsk signal.En enkel lösning är att placera hinder mellan givarna för att blockera oönskade reflektioner.

Eftersom solljus innehåller samma våglängder som sändarna finns det ofta en risk att mycket starkt omgivande ljus kan lura mottagarna.Detta sker vanligen när fotoceller används till automatiska dörröppnare i garage då solljus från en viss vinkel kan störa anordningen.Möjliga lösningar kan exempelvis vara att vinkla givarna, placera ett hinder eller reversera sändare och mottagare.

Ljusstrålen hos polariserad reflexgivare är konformad. I närheten av sensorn är strålen ungefär lika stor som sändarens lins.I närheten av reflektorn är den lika stor som reflektorn.Det innebär att mindre föremål kan detekteras när de befinner sig nära sensorn, men inte nödvändigtvis när de är i närheten av mottagaren.

Output för polariserad reflexgivare:

  • Ljusdrift – output slås på när målet inte är närvarande.
  • Mörkerdrift – output slås på när målet är närvarande.

Prismatiska reflektorer krävs för polariserad reflexgivare.Dessa reflektorer roterar genom sin design den inkommande ljusstrålen 90 grader. Givarna är utrustade med polariserande filter över linsen så att ljusvågor riktas åt endast ett håll. Reflektorn roterar ljusvågorna för att matcha riktningen hos filtret på mottagaren.

Blanka föremål kan skicka tillbaka högintensitetsljus till sensorn, men eftersom ljuset inte har rätt riktning orsakar inte dessa mål en falsk signal.

Målets påverkan:

Större föremål reflekterar mer ljus vilket resulterar i större avkänningsavstånd.

Vid användning av givare med synligt rött ljus kan ljusare färger detekteras på längre avstånd än mörkare färger.Målets färg har mycket mindre effekt på infraröda sensorer.Glänsande ytor kan avkännas på längre avstånd än flata eller matta ytor.

Jämna ytor har bättre reflexiva egenskaper än ojämna ytor.Ett mål som utgörs av blå plast med jämn yta reflekterar exempelvis mer ljus än en ett mål med blå sammet.

Mål med flat yta som är vinkelrätt mot sensorn reflekterar mer ljus än vinklade flata mål.Dessutom tenderar icke-flata mål att leda ljus bort från sensorn vilket resulterar i energiförlust och mindre avkänningsavstånd.

Bakgrundsinterferens
En direktavkännande givare detekterar allt ljus som reflekteras in i mottagaren, oavsett källa.Ljus som reflekteras från bakgrunden ter sig likadant som ljus från målet och kan vara särskilt problematiskt när bakgrunden är mer reflexiv än målet samt när målet och bakgrunden är mycket nära varandra.

För att minska detektering av bakgrund:

  1. Modifiera den genom att måla den med en mörk, flat färg.
  2. Ändra sensorns vinkel i förhållande till bakgrunden.
  3. Minska sensorns känslighet för att ”avskärma” bakgrunden.
  4. Använd en direktavkännande givare med inbyggd bakgrundsavbländning.

Fixerad räckvidd
Positionen för sändarens och mottagarens linser vinklas för att skapa en detekteringszon.Föremål i detekteringszonen reflekterar ljus in i mottagarlinsen och avkänns.Föremål utanför detekteringszonen (antingen för nära eller för långt borta) har inte korrekt geometri för att skicka tillbaka ljus till mottagaren.Denna metod används normalt för korta avstånd och är inte justerbar.

Trianguleringsprincip
Denna teknik använder två mottagarelement för att uppnå bakgrundsavbländning. Genom att använda en potentiometer för justeringar placeras en spegel på mekaniskt vis för att bestämma punkten vid vilken en mottagare detekterar målet och den andra detekterar bakgrunden. Sensorn justeras sedan så att den är halvvägs mellan dessa två punkter.Sensorn utvärderar vinkeln hos det mottagna ljuset för att bestämma om ljuset kommer från målet eller bakgrunden.

Diod-array
Denna metod liknar trianguleringsprincipen förutom att mottagarna utgörs av en 63-diods-array.De ytterligare mottagarna möjliggör noggrann bakgrundsavbländning (dvs. målet och bakgrunden kan vara mycket nära varandra). Diod-arraysensorer är utrustade med en mikroprocessor och programmeras elektroniskt via tryckknappar.

PMD flygtid (time-of-flight)
PMD (Photonic Mixer Device) bestämmer avståndet mellan sensorn och föremålet (och sensorn och bakgrunden) genom att mäta tiden det tar för ljuset att färdas från sensorn till målet och tillbaka igen.

En laserdiod genererar en modulerad laserstråle.Ljuset som reflekteras av målet riktas mot ett fotokänsligt chip (PMD Smart Pixel) via en lins.Därefter jämför chippet de inkommande ljusvågorna och drar slutsatser om avståndet till målet.

Diagram of sensor using time of flight technology

Ljusvågor fortplantas från laserljuskällan. När ljuset studsar från målet skiftar fasmönstret och fasskiftningen är direkt proportionellt mot avståndet.

Denna proprietära teknik erbjuder:

  • Robust detektering av små reflexiva mål
  • Snabb installation tack vare oberoende av färg och vinkel
  • Information om uppmätt avstånd via IO-Link

Laseravståndsgivarna ODG, O1D, O5D och OID från ifm använder alla denna teknik.