Uvod v fotoelektrične senzorje

Terminologija

Efektivni žarek – območje svetlobnega žarka, ki mora biti povsem prekinjen, da izhod senzorja spremeni stanje.Senzorji, ki preklopijo, ko je svetlobni žarek prelomljen (npr. skoznji žarek in polarizirani retro-odbojni senzorji) imajo efektivne žarke.Senzorji, ki odbijajo svetlobo neposredno s ciljnega predmeta (npr. razpršilni senzorji) nimajo efektivnih žarkov.

Svetlo delovanje (ali vklop svetlobe) – spremembe stanja izhoda, kadar sprejemnik zazna svetlobo.

Temno delovanje (ali vklop teme) – spremembe stanja izhoda, kadar sprejemnik ne zaznava svetlobe.

Čezmerni izkoristek – razmerje med svetlobno energijo, ki jo senzor dejansko sprejme, in svetlobno energijo, potrebno za spremembo stanja izhoda.Vrednost izkoristka 1 je najmanjša potrebna vrednost za preklop izhoda.Vse nad to mejno vrednostjo se šteje kot čezmerni izkoristek.V pomoč je, če določite pravilno delovanje senzorja v onesnaženih območjih.

Največji potrebni čezmerni izkoristek Delovno okolje
1,5-krat Čisti zrak: Brez kopičenja umazanije na lečah ali odsevnikih.
5-krat Rahlo umazano. Rahlo nakopičeni prah, umazanija, olje, vlaga itn. na lečah ali odsevnikih; leče se redno čistijo.
10-krat Zmerno umazano: Očitno onesnaženje leč ali odsevnikov, vendar niso zakriti; občasno čiščenje leč ali po potrebi.
50-krat Zelo umazano: Zelo umazane leče; gosta megla, meglice, prah, dim ali oljni sloj, minimalno čiščenje leč

Efektivni žarek ima enoten premer in je približno enak premeru leč oddajnika in sprejemnika.Dokler je ciljni predmet vsaj toliko velik kot efektivni žarek, bo izhod preklopil, ko ciljni predmet prekine žarek.

Izhodi za pare s skoznjim žarkom:

  • Izhodi za svetlo delovanje se vklopijo, kadar ciljni predmet ni prisoten.
  • Izhodi za temno delovanje se vklopijo, kadar je ciljni predmet prisoten.

Upoštevanje pri nameščanju

Kadar nameščate več parov s skoznjim žarkom, bodite previdni, da se oddajani žarek enega senzorja ne bo križal z drugimi sprejemniki.Preprosta rešitev je, da izmenjujete oddajnike in sprejemnike, kot je prikazano.

Izjemno odseven predmet, ki prekine žarek, lahko odbije svetlobo neposredno v nepovezani sprejemnik in povzroči napačen signal.Preprosta rešitev je, da namestite pregrade med senzorje, da blokirate kakršne koli napačne odseve.

Ker ima sončna svetloba enake valovne dolžine kot svetloba fotoelektričnih prenosnikov, lahko zalo svetla svetloba okolice pogosto preslepi sprejemnike.To običajno vidimo, kadar se fotoelektrični senzorji uporabljajo v odpiralnikih vrat domače garaže, kjer se sončna svetloba pod določenim kotom vmeša v delovanje vrat.Možne rešitve vključujejo postavljanje senzorjev pod kotom, dodajanje pregrade ali zamenjavo oddajnika in sprejemnika.

Efektivni žarek polariziranih retro-odbojnih senzorjev je oblikovan stožčasto. V bližini senzorja je žarek približno enako velik kot leča oddajnika.V bližini odsevnika je velikosti odsevnika.To pomeni, da je mogoče manjše predmete zaznati, kadar so blizu senzorja, vendar ne nujno, če so blizu sprejemnika.

Izhodi za polarizirane retro-odbojne senzorje:

  • Izhodi za svetlo delovanje se vklopijo, kadar ciljni predmet ni prisoten.
  • Izhodi za temno delovanje se vklopijo, kadar ciljni predmet ni prisoten.

Prizmatični odbojniki so potrebni za polarizirane retro-odbojne senzorje.Po svoji zasnovi ti odbojniki zavrtijo dohodni svetlobni žarek za 90 stopinj. Senzorji so opremljeni s polarizacijskimi filtri nad lečo, tako da so svetlobni valovi usmerjeni samo v eno smer. Odbojnik zavrti svetlobne valove, da ustrezajo usmerjenosti filtra na sprejemniku.

Svetleči ciljni predmeti lahko vrnejo visoko intenzivno svetlobo do senzorjev, ker pa svetloba ni pravilno usmerjena, svetleči ciljni predmeti ne bodo povzročili napačnega signala.

Vplivi ciljnega predmeta:

Večji predmeti odbijajo več svetlobe, kar posledično poveča območje zaznavanja.

S senzorji vidne rdeče svetlobe je mogoče svetlejše barve zaznati na večji razdalji kot temnejše barve.Barva ciljnega predmeta ima veliko manjši vpliv na infrardeče senzorje.Svetleče površine je mogoče zaznati na veliko večji razdalji kot ploske in matirane površine.

Gladke površine so bolj odsevne kot grobe.Gladek, moder plastični ciljni predmet bo npr. odbijal veliko več svetlobe kot modri žametni ciljni predmet.

Ploski ciljni predmeti, pravokotni na senzor, bodo odbijali več svetlobe kot ploski ciljni predmeti pod kotom.Neravni ciljni predmeti tudi odbijajo svetlobo stran od senzorja, zaradi česar pride do izgube energije in območja zaznavanja.

Interference ozadja
Razpršilni senzor zaznava vso svetlobo, ki se odbije v sprejemnik ne glede na vir.Svetloba, ki se odbija od ozadja, je videti enako kot svetloba od ciljnega predmeta in pomeni posebno težavo, kadar je ozadje bolj odbojno od ciljnega predmeta in kadar sta ciljni predmet in ozadje zelo blizu skupaj.

Za zmanjšanje zaznavanja ozadja:

  1. Spremenite ga tako, da ga prepleskate s temno, enolično barvo.
  2. Spremenite kot senzorja glede na ozadje.
  3. Zmanjšajte občutljivost senzorja na »izklop« ozadja.
  4. Uporabite razpršilni senzor z vgrajeno izključitvijo ozadja.

Fiksno območje
Položaj leč oddajnika in sprejemnika je pod kotom, da ustvari območje zaznavanja.Predmeti v območju zaznavanja odbijajo svetlobo v sprejemno lečo in so zaznani.Predmeti zunaj območja zaznavanja (preblizu ali predaleč) nimajo pravilne geometrije za vrnitev svetlobe do sprejemnika.Ta metoda se običajno uporablja za kratke razdalje in je ni mogoče prilagoditi.

Načelo triangulacije
Ta tehnologija uporablja dva sprejemna elementa za pridobitev izključitve ozadja.S potenciometrom za prilagajanje, se zrcalo mehansko namesti za določanje točke, v kateri en sprejemnik zaznava ciljni predmet, drugi pa ozadje.Senzor se nato prilagodi na pol poti med tema točkama.Senzor oceni kot prejete svetlobe, da ugotovi, ali svetloba prihaja od ciljnega predmeta ali ozadja.

Razporeditev diod
Ta metoda je podobna načelu triangulacije, razen da so sprejemniki sklop 63 razporejenih diod.Dodatni sprejemniki omogočajo natančno izključitev ozadja (npr. ciljni predmet in ozadje sta lahko zelo blizu).Senzorji z razporejenimi diodami so opremljeni z mikroprocesorjem in elektronsko programiranimi prek gumbov.

PMD s tehnologijo time-of-flight
PMD (Photonic Mixer Device – fotonska mešalna naprava) določa razdaljo med senzorjem in predmetom (ter senzorjem in ozadjem) z merjenjem časa, ki ga porabi svetloba za pot od senzorja do ciljnega predmeta in nazaj.

Laserska dioda ustvari modulirani laserski žarek.Svetloba, ki se odbije od ciljnega predmeta, se usmeri v fotoobčutljivi čip (PMD Smart Pixel) prek leče.Čip nato primerja dohodne svetlobne valove in sklepa glede oddaljenosti ciljnega predmeta.

Diagram of sensor using time of flight technology

Svetlobni valovi se širijo od vira svetlobe laserja. Ko se svetloba odbije od ciljnega predmeta, se fazni vzorec premakne, ta premik pa je neposredno sorazmeren z razdaljo.

Ta lastniška tehnologija omogoča:

  • robustno zaznavanje majhnih odsevnih ciljnih predmetov;
  • hitro nameščanje zaradi neodvisnosti od barve in kota;
  • podatke o izmerjeni razdalji prek IO-Linka.

Laserski senzorji razdalje ifm serij ODG, O1D, O5D in OID uporabljajo to tehnologijo.