Zbliżeniowe czujniki optyczne – podział i zastosowanie

© PILZ

Udostępnij:

Niemal każda, mniej lub bardziej zaawansowana aplikacja w obszarze automatyki zawiera elementy detekcji. Do wykrywania obecności obiektów oraz ich cech stosowane są między innymi czujniki optyczne. W artykule opisano sposób działania i zastosowania czujników optycznych, inaczej zwanych czujnikami fotoelektrycznymi. Wybór ten nie był przypadkowy, gdyż dzięki dobrym parametrom technicznym czujniki optyczne zyskują coraz większą popularność i coraz szersze zastosowanie w praktyce inżynierskiej. Pomimo tego, iż zbliżeniowe czujniki indukcyjne są prawdopodobnie bardziej rozpowszechnione, to czujniki optyczne zdobywają rynek dzięki ich rozwojowi.

Istnieje wiele typów czujników fotoelektrycznych, których działanie polega na wysłaniu i odbiorze właściwie zmodulowanej wiązki światła, w zależności od ich zastosowania i wykonania. W celu usystematyzowania czujników, w niniejszym zestawieniu dokonano ich podziału ze względu na sposób działania na następujące typy:refleksyjne, odbiciowe, bariery optyczne, oraz w zależności o rodzaju zastosowanego światła, na: podczerwień, światło widzialne, laser.



W czujnikach refleksyjnych zarówno nadajnik i odbiornik znajdują się w jednej obudowie, natomiast światło odbijane jest od elementu odblaskowego. Kiedy wiązka światła zostanie przesłonięta, czujnik zadziała. W przypadku czujników odbiciowych nadajnik i odbiornik umieszczone są również w jednej obudowie i analizują wiązkę pulsującego światła odbitego od obiektu. Natomiast czujnik optyczny typu bariera składa się z osobnego nadajnika i odbiornika, usytuowanych po obu stronach przestrzeni kontrolowanej. Bariery wykrywają obiekty znajdujące się pomiędzy nadajnikiem i odbiornikiem. Jedną z wersji czujników typu bariera są czujniki szczelinowe, które mają zastosowanie np. w procesach produkcyjnych do wykrywania znaków na taśmie, itp. Czujniki optyczne mają zakres od 10 mm do nawet 100 m, a niektóre z nich posiadają płynną regulację za pomocą potencjometru. W dużej mierze zasięg zależy od materiału i koloru obiektu podlegającego detekcji. Najdłuższą strefę działania mają czujniki typu bariera. Zaś czujniki odbiciowe pracują zwykle ze słabszymi wiązkami światła, co w praktyce oznacza maksymalną odległość detekcji zaledwie do 2 m. Na dobór czujnika wpływa wiele parametrów jego pracy, takich jak: kąt kierunkowy, który decyduje o rozproszeniu światła, napięcie zasilania, wyjście sterujące, czas odpowiedzi, temperatura pracy, obwody zabezpieczające itp.


Przykładowe rozwiązania

Czujniki optyczne w przemyśle znajdują zastosowanie w takich aplikacjach jak rozpoznawanie towarów na liniach produkcyjnych czy też detekcja elementów ruchomych, np. robotów i części maszyn. Mogą też służyć do zliczania, pozycjonowania, wymiarowania oraz określania poziomu materiałów sypkich i własności fizycznych obiektów. Czujniki fotoelektryczne są też często używane w systemach zabezpieczeń, jak na przykład kontrola zamknięcia drzwi w pomieszczeniach i pojazdach. Ograniczeniem ich stosowania jest zapylenie środowiska pracy, które może powodować zakłócenia padania światła. W przypadku aplikacji z wykorzystaniem robotów, przy których konieczny jest również udział człowieka, jako dodatkową ochronę stosuje się często mechanizmy ochronne działające na zasadzie bezdotykowej. Przykładem elementów ochrony instalacji i maszyn, a przede wszystkim człowieka, są czujniki optoelektroniczne firmy PILZ, obejmujące zarówno bariery świetlne PSENopt, jak i skaner laserowy PSENscan. Kurtyny świetlne PSENopt zapewniają bezpieczeństwo kończyn oraz ochronę przed odniesieniem obrażeń ciała zgodnie z normą PN-EN/ IEC 61496-1. Skaner laserowy PSENscan posiada dwuwymiarowe monitorowanie obszarów o kącie widzenia równym 275 stopni i zakresie pola chronionego do 5,5 metra. Umożliwia konfigurację obszarów ostrzegawczych i obszarów chronionych oraz dostosowywanie do wymagań konstrukcyjnych, dzięki czemu skanery te można łatwo wykorzystać w wielu aplikacjach.

Czujnik O8 z oferty firmy IFM jest rozwiązaniem do zastosowań w ograniczonej przestrzeni, takich jak ręczny montaż czy też robotyka. Miniaturowy czujnik osiąga zakres działania 80 mm,niezależnie od koloru powierzchni. W czujnikach tej serii zastosowano skutecznie i precyzyjne tłumienie tła, również dla niewielkich, płaskich lub odbijających światło obiektów. Światłowody, oprócz zastosowań telekomunikacyjnych, stosowane są też jako czujniki do pomiarów wartości różnych wielkości fizycznych. W ograniczonej przestrzeni oraz miejscach trudnodostępnych stosuje się właśnie czujniki światłowodowe, które mają oddzielone elementy elektroniczne i optyczne od głowicy. Dużą grupę czujników światłowodowych z modulacją intensywności stanowią czujniki odbiciowe. Są one stosowane w kontroli procesów produkcyjnych do pomiarów np. drgań, położenia, odległości. Podstawowymi elementami czujnika są wiązki włókien lub pojedyncze włókna doprowadzające światło oświetlające powierzchnię, a odbite światło wnika do wiązki światłowodów odbiorczych. Podczas gdy powierzchnia odbijająca oddala się od głowicy pomiarowej, zmienia się natężenie promieniowania odbitego od powierzchni i wchodzącego do światłowodu odprowadzającego. Czujniki laserowe pozwalają na pomiar małych obiektów dzięki małemu rozmiarowi plamki. Posiadają one szeroki zakres pomiarowy oraz duży dystans do mierzonego obiektu, przy zachowaniu wysokiej rozdzielczości. Dzięki zastosowaniu technologii laserowej można uzyskiwać bardzo dobrą liniowość oraz wysoką częstotliwość pomiarową. Przy zastosowaniu optycznych czujników laserowych można wykonywać pomiar błyszczących, metalowych oraz chropowatych powierzchni, synchronizując kilka czujników.

Do czujników optycznych zaliczyć można również inteligentne czujniki obrazu – systemy wizyjne, które wypełniają lukę między standardowymi sensorami optycznymi a kompaktowymi systemami wizyjnymi. Mają one więcej możliwości w stosunku do zwykłej kontroli obecności, posiadając na przykład funkcje wykrywania różnego rodzaju znaczników. Pomiar może być dokonywany w czasie przemieszczania się obiektu, przykładowo na linii produkcyjnej. Rozwiązania oparte na zastosowaniu kamer umożliwiają dynamiczne monitorowanie pól i stref bezpieczeństwa w przestrzeni wielowymiarowej. Jednym z takich rozwiązań jest system SafetyEYE, który wykrywa i sygnalizuje obecność obiektów wkraczających do określonych stref trójwymiarowych.



Dobór czujników

Projektant przy doborze układu bierze pod uwagę następujące czynniki: koszty wdrożenia, czas opracowania aplikacji, warunki pracy, możliwości modyfikacji sprzętowej i programowej. Przy doborze czujnika określa się wszystkie parametry, jakie musi spełniać czujnik, analizuje się miejsce, sposób montażu oraz warunki, w jakich czujnik będzie pracować. Charakterystycznym parametrem czujników optycznych, oprócz wspomnianego wcześniej zasięgu działania jest strefa czułości, będąca maksymalną odległością od czoła czujnika zbliżanego wzdłuż osi wiązki świetlnej, przy której następuje przełączenie obwodu wyjściowego czujnika. Z kolei histereza przełączania, jest różnicą odległości obiektu od czujnika, przy których czujnik zmienia stan obwodu wyjściowego. Ogromny wpływ na poprawną pracę czujników optycznych ma również zasilanie. Dla czujników optycznych istotne jest zabezpieczenie prądowe chroniące przed uszkodzeniem w wyniku krótkotrwałego i ciągłego przeciążenia lub zwarcia wyjścia. Ważnym parametrem czujników optycznych jest napięcie szczątkowe, określające spadek napięcia na wyjściu czujnika w stanie wysterowania wyjścia. Duży wpływ na strefę działania czujnika optycznego ma wielkość odbitego światła. Zależy ona od barwy struktury, wymiarów i rodzaju materiału, z którego obiekt jest wykonany. Dlatego dobiera się współczynniki korekcyjne dla różnych materiałów, uwzględniające właściwości odbicia światła. Niezwykle istotne są również czynniki zewnętrzne, takie jak: temperatura pracy, wibracje oraz zapylenie.

Udostępnij:

Drukuj



Wojciech Macek



TOP w kategorii






Chcesz otrzymać nasze czasopismo?
Zamów prenumeratę
Zobacz również