Klíčovým faktorem v mnoha aplikacích je materiál objektu, který má být detekován. Některé senzory se chovají odlišně u tvrdých a vláknitých povrchů a jiné senzory jsou ovlivněny barvou nebo odrazivostí detekovaného objektu. Tento článek představí běžně dostupné technologie bezkontaktních senzorů přiblížení či senzorů vzdálenosti, jejich princip a základní charakteristiky. Dále uvede konkrétní typy senzorů od SICK včetně jejich typické aplikace.
Fotoelektrický senzor
Fotoelektrické senzory W10 se snadno používají a instalují. Robustní konstrukce je činí vhodnými pro přesnou detekci objektů v náročných prostředích. Integrovaná dotyková obrazovka zjednodušuje nastavení jednotlivých parametrů (obrázek 1).
Obrázek 1: Dotyková obrazovka fotoelektrických senzorů urychluje uvedení do provozu. (Zdroj obrázku: SICK)
Integrované funkce jako je nastavení rychlosti, přesné režimy měření nebo potlačení popředí a pozadí, znamenají, že jeden senzor lze použít v řadě aplikací. Série snímačů W10 zahrnuje čtyři varianty, které se liší provozními vzdálenostmi a možnostmi montáže.
Potlačení pozadí
Fotoelektrické senzory s potlačením pozadí (BGS) využívají triangulaci mezi vysílajícím a přijímacím signálem. Odražené signály z objektů za nastaveným dosahem snímání jsou potlačeny. Technologie BGS navíc ignoruje vysoce reflexní objekty v pozadí a dokáže si poradit i s obtížnými okolními světelnými podmínkami. Potlačení pozadí oceníme tam, kde cílový objekt a pozadí (jako je například dopravní pás) mají podobnou odrazivost nebo pokud je odrazivost pozadí proměnná a může způsobit interferenci.
Potlačení popředí
Fotoelektrické senzory s potlačením popředí (FGS) jsou schopny detekovat objekty v definované vzdálenosti. Všechny objekty mezi senzorem a snímací vzdáleností jsou detekovány. Aby bylo zajištěno spolehlivé snímání, musí být pozadí poměrně jasné a nemělo by se měnit ve výšce (hloubce). Když jsou předměty na reflexním povrchu jako je bílý nebo světlý dopravní pás, potlačení popředí zlepšuje detekci. Senzor detekuje objekt podle nepřítomnosti světla odraženého od dopravníkového pásu, namísto detekce světla odrážejícího se od objektu.
Reflexní senzor
U eflexního senzoru dopadá vyzařované světlo na reflektor a odražené světlo je senzorem vyhodnoceno. Chyby lze minimalizovat použitím polarizačních filtrů. Stretch fólie a plastové obaly, které jsou průhledné, mohou tyto senzory rušit. Snížení citlivosti senzoru může částečně pomoci. Další možností je výměna standardních IR zářičů za lasery, které umožňují delší dosah snímání a vyšší rozlišení. Výkon reflexního senzoru lze zlepšit použitím nižší než normální spínací hystereze. U těchto konstrukcí lze spolehlivě detekovat i minimální útlum světla mezi snímačem a reflektorem způsobený například skleněnými lahvemi. SICK také nabízí monitorovací systém nazvaný AutoAdapt, který nepřetržitě reguluje a přizpůsobuje spínací práh v reakci na postupném nahromadění znečištění, které by mohlo vést až k selhání snímacího systému.
Senzor s jednocestným paprsek
Na rozdíl od reflexních senzorů používají jednocestné senzory dvě aktivní části: vysílač a přijímač. Snímání jednocestným paprskem umožňuje delší dosah snímání. Nahrazením IR zářiče laserovou diodou lze dále zvýšit snímací vzdálenost při zachování vysokého rozlišení a přesnosti.
Optická vlákna
Optické senzory jsou jednou z variant senzoru s jednocestným paprskem. U fotoelektrického senzoru s optickým vláknem jsou vysílač a přijímač společně zabaleny do jednoho pouzdra. Vysílač i přijímač používají samostatné kabely z optických vláken. Tyto snímače jsou vhodné pro použití ve vysokoteplotních aplikacích a v nebezpečném a drsném prostředí.
Pole fotoelektrických senzorů
Řada fotoelektrických senzorů RAY26 Reflex Array jako je model 1221950 umožňuje spolehlivou detekci plochých objektů. V kombinaci s reflektorem detekují fotoelektrické senzory také malé, ploché, průhledné nebo nerovné předměty o velikosti pouhých 3 mm. V rámci 55 mm vysokého rovnoměrného světelného pole detekují senzory přední hranu objektu. To znamená, že i perforované předměty lze spolehlivě detekovat bez složitého přepínání (obrázek 4).
Obrázek 2: Pole fotoelektrických senzorů dokáže detekovat objekty o velikosti pouhých 3 mm v poli o výšce 55 mm. (Zdroj obrázku: SICK)
Laserový senzor
Monitorování hladiny ve skladovacích kontejnerech, detekce polohy objektů na dopravnících, poloha XY osy v automatizovaných vysokozdvižných systémech, vertikálním polohování jeřábů ve skladech a podvěsných dopravnících nebo monitorování průměru cívky během jejího navíjení. To jsou aplikace vhodné pro Laserové senzory DT50. Tyto senzory jsou založeny na principu měření rozdílné doby vyslaného paprsku a přijmu jeho odrazu od detekovaného objektu umístěného až několik metrů od laseru. Laserové světlo zajišťuje odolnost vůči okolnímu osvětlení a přesný a spolehlivý provoz. Například DT50-2B215252 má dosah 200 až 30 000 mm a nabízí několik speciálních funkcí:
- Odolné pouzdro s krytím IP65 a IP67
- Je schopen poskytnout až 3 000 měření za sekundu
- Minimální doba odezvy je 0,83 ms
- Kompaktní pouzdro je vhodné pro řadu aplikací - od průmyslových robotů až po měření výšek naplnění skladovacích kontejnerů
Měření ve vysokém rozlišení pomocí statistik
High-definition distance measurement plus (HDDM+) je technologie měření ToF s vysokým rozlišením, kterou lze použít v laserových senzorech pro detekci a měření vzdálenosti (LiDAR). Na rozdíl od technologie snímání s jedním pulzem nebo fázovou korelací je HDDM+ proces statistického měření. Software senzoru statisticky vyhodnocuje odrazy několika laserových pulzů, aby odfiltroval rušení jako je skleněné tabule, mlha, déšť, prach, sníh, listí, ploty a další objekty. Tím je schopen dosáhnout přesného vypočtu vzdálenosti detekovaného cíle. Výsledné měření vzdálenosti má vysokou úroveň jistoty i za náročných okolních podmínek (obrázek 5).
Obrázek 3: Software HDDM+ používá proces statistického vyhodnocení k odstranění rušení v podobě skleněné tabule, mlha, déšť, prach, sníh, listí a ploty. (Zdroj obrázku: SICK)
Typická aplikace pro technologii HDDM+ je měření vzdálenosti pro kontrolu kvality ve výrobě elektroniky, detekci vícerozměrných objektů - LiDAR a určování polohy ve strojírenství. Snímací dosah technologie HDDM+ je až 1,5 km s použitím reflexní pásky. Například model DT1000-S11101 má dosah 460 m s typickou přesností měření ± 15 mm pro přírodní objekty a nastavitelné rozlišení od 0,001 do 100 mm.
Indukční senzor
Indukční senzory přiblížení jako je řada IME jsou schopny detekovat železné i neželezné kovové předměty. Tyto senzory se skládají z rezonančního obvodu induktor-kondenzátor (LC), který generuje vysokofrekvenční střídavé elektromagnetické pole. Pokud kovový předmět vstoupí do detekční oblasti, pole se okamžitě ztlumí. Toto ztlumení je ihned detekováno obvodem pro vyhodnocení signálu a zesilovač vygeneruje výstupní signál detekce (obrázek 4).
Obrázek 4: Základní indukční přibližovací senzor se skládá z LC obvodu, který vytváří střídavé pole, vyhodnocovacího obvodu a zesilovače. (Zdroj obrázku: SICK)
Obecně pro senzory přiblížení jsou důležité dva parametry. Jmenovitá snímací vzdálenost Sn a zabezpečená snímací vzdálenost Sa. Sn nebere v úvahu výrobní tolerance nebo vnější vlivy jako je provozní teplota. Sa bere v úvahu jak výrobní tolerance, tak i odchylky v provozních podmínkách. Sa je typicky asi 81 % hodnoty Sn. Například pro indukční snímač IME08-02BPSZT0S je Sn 2 mm a Sa je 1,62 mm.
Kapacitní senzor
Stejně jako indukční senzory, tak i kapacitní senzory přiblížení používají oscilátor. V tomto případě se používá otevřený kondenzátor, kde aktivní elektroda v senzoru vytváří elektrostatické pole. Tyto senzory jsou schopny detekovat přítomnost široké škály materiálů ( kovové i nekovové ). Když předmět vstoupí do elektrostatického pole, změní se amplituda kmitů v rezonančním obvodu na základě dielektrických vlastností materiálu. Vyhodnocovací obvod detekuje tuto změnu a zesilovač vygeneruje výstupní signál (obrázek 5).
Obrázek 5: V kapacitním senzoru přiblížení generuje oscilační obvod elektrostatické pole, které mění charakteristiky v momentě, kdy do pole vstoupí objekt. (Zdroj obrázku: SICK)
Kapacitní senzor CM12-08EBP-KC1 má Sn 8 mm a nominální Sa 5,76 mm. Snímaný předmět musí být alespoň tak velký jako čelo snímače. Snímací vzdálenost se mění s redukčním faktorem materiálu. Redukční faktory jsou vztaženy k dielektrické konstantě materiálu a pohybují se od 1 pro kovy a vodu do 0,4 pro polyvinylchlorid (PVC). Sklo má redukční faktor 0,6 a keramika 0,5.
Magnetický senzor
Magnetické senzory přiblížení reagují na přítomnost magnetu. Magnetické senzory přiblížení SICK používají dvě detekční technologie:
- Magnetoodporové (GMR) senzory jsou založeny na rezistorech, které mění svou hodnotu v přítomnosti magnetického pole. Pro detekci změny odporu a vytvoření výstupního signálu se používá Wheatstoneův můstek. Senzory řady MZT7 jako je MZT7-03VPS-KP0 se používají například k detekci polohy pístu v pneumatických pohonech.
- S rezonančním obvodem LC, který rezonuje s malou amplitudou. Pokud se přiblíží vnější magnetické pole, rezonanční amplituda se zvětší. Nárůst je detekován vyhodnocovacím obvodem a zesilovač vygeneruje výstupní signál (obrázek 6). Magnetický senzor MM08-60APO-ZUA má Sn 60 mm a Sa 48,6 mm.
Obrázek 6: U magnetického senzoru přiblížení se využívá magnetoodpor nebo rezonanční LC obvod. (Zdroj obrázku: SICK)
Ultrazvukový senzor
Pro objekty vzdálené až 8 m lze využít ultrazvukové senzory jako je řada UM30. Tyto senzory mají integrovanou teplotní kompenzaci pro zlepšení přesnosti měření a poskytují detekci objektu nezávislou na jeho barvě. Důležitou vlastností je odolnost vůči prachu a provoz až do teploty +70 °C. Vzdálenost objektu se rovná rychlosti zvuku vynásobenou celkovou akustickou dobou letu signálu (t2) a vyděleno dvěma, protože paprsek urazí cestu k objektu a zpět (obrázek 6).
Obrázek 7: Ultrazvukový senzory. (Zdroj obrázku: SICK)
Příkladem ultrazvukového senzoru je UM30-212111, který je vhodný k monitorování prázdných přepravek. Díky integrovanému senzoru teploty poskytuje přesnost měření ±1 %. Tyto barevně nezávislé senzory dokážou detekovat těžko rozlišitelné objekty i v přítomnosti nečistot a prachu.
Závěr
Existuje široká škála technologií pro senzory přiblížení či vzdálenosti. Úkolem je najít optimální řešení pro detekci konkrétních materiálů za aktuálních podmínek provozu.
Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com
