V průmyslové automatické výrobě je obvykle nutné detekovat přítomnost objektu, předmětu, kapaliny v určitých místech stroje nebo linky a podle toho řídit a časovat práci různých částí stroje. K tomu je však nutné vhodně zvolit typ snímače tak, aby byl schopen opakovaně zajistit spolehlivou detekci.

Volbu je tak nutné provést v závislosti nejen na fyzikálních vlastnostech detekovaných objektů, ale i pracovního prostředí. V tomto článku jsem se tak pokusil o základní rozbor, co, kdy a kde použít.

Co lze detekovat

V současné době lze detekovat předmět podle následující vlastnosti:

• Materiál - kov, plast, dřevo, papír atd.
• Velikost / rozměry detekovaného předmětu či snímané plošky.
• Tvar nebo barva předmětu.
• Optické vlastnosti - průhlednost, polarizace světla, kontrast, luminiscence.
• Skupenství - pevné, kapalné, plynné.
• Teploty.
• atd.

Na co je nutné si dát pozor

Pro volbu typu snímače je však nutné vzít v úvahu i další s detekcí spojené okolnosti:

• Velikost prostoru pro umístění snímače
• Max. možná vzdálenost detekovaného předmětu od snímače
• Vliv okolí:
  • znečišťování detekčního prostoru
  • elmag. rušení
  • intenzita okolního světa
  • okolní provozní teplota
  • materiály a vzdálenost okolních objektů / předmětů
• Rychlost pohybu předmětu v případě detekce za pohybu
• Životnost

Typy běžně vyráběných senzorů přiblížení

Běžně na celosvětovém trhu se snímači pro detekci přítomnosti nebo přiblížení se vyskytují následující typy:

• Indukční - detekují přítomnost kovových částí objektů na malou vzdálenost (do několika cm)
• Kapacitní - umožňují detekci téměř jakéhokoliv materiálu včetně průhledných a tekutin, ale jen na velmi malou vzdálenost (max. několik cm)
• Ultrazvukové - detekce různých pevných větších předmětů nebo kapalin i na mnoho metrů nezávisle na pozadí za detekovaným produktem.
• Optické
  • Difuzní - detekce blízkého neprůhledného, ale i průsvitného objektu téměř libovolného nelesklého materiálu. Laserová provedení mají dosah i přes 1 metr a jsou schopny detekovat i objekty o velikosti od několika mm.
  • Reflexní - detekce blízkých i vzdálených a velmi malých neprůhledných pevných předmětů (při použití provedení s polarizačním filtrem mohou být předměty i velmi lesklé). Laserová provedení mají dosah až 10 m a mohou detekovat předměty velikosti od několika mm.
  • Jednocestné - detekce na krátké i velké vzdálenosti (až několik metrů) i pro průsvitné a hůře průhledné (nečiré) produkty.
  • Optovláknové - detekce velmi malinkých objektů nebo větších předmětů ve stísněných podmínkách.
  • Kontrastní - blízká detekce různého obrazce, značky či plochy světlejší či tmavší než podložka (pozadí).
  • Luminiscenční - detekce schopnosti luminiscence ozářeného objektu.
  • Snímače barvy - detekce barevné plochy na ploše nebo na pozadí jiné barvy na vzdálenosti cca několika cm.
  • Snímače tvaru - detekce předmětu podle jeho tvaru na malé a střední vzdálenosti.
• Magnetické - detekce magnetických materiálů (kovů) na malé vzdálenosti (několik mm).
• Teplotní - pomalá detekce přítomnosti libovolných objektů dle jejich teploty rozdílné od pozadí.

Příklady provedení indukčních snímačů SICK (obrázek vlevo) a podobných magnetických snímačů SICK (obrázek vpravo).

Příklady volby typu snímačů podle vlastností detekovaných objektů

Detekce kovových obalů nebo částí produktů

V případě detekce na malé vzdálenosti max. několik desítek mm se téměř vždy provádí indukčními snímači, které dnes v mnoha případech mají stejnou citlivost na všechny nebo většinu běžných kovů a jsou hodně odolné proti znečištění a okolnímu rušení. Stejně dobře se daly použít i kapacitní snímače, pokud pozadí nebo okolí detekčního místa není ze stejného materiálu, jako detekovaný objekt. Kapacitní snímače mají zhruba při stejné velikosti stejný dosah, ale jsou více citlivé na rušící vlivy (zvláště teplotu). Pokud je detekován jen kov magnetický lze použít i magnetické senzory. Ty je pak nutné použít v případě, když se například rozlišují dva různé stejně barevné kovové objekty z odlišných materiálů (např. hliník/železo).

Pro větší vzdálenosti než cca 2 cm je nutné již použít optické snímače nebo ultrazvuk, ale provozní prostředí však musí být dost čisté. V případě vyleštěných povrchů  musí být vždy použity reflexní optozávory v provedení s polarizačním filtrem, které rozliší odraz od lesklé plochy detekovaného předmětu od odrazu u odrazky.

Detekce neprůhledných obalů a produktů

Pro detekci téměř libovolných objektů a produktů v běžných (nepříliš prašných) prostředích se nejčastěji používají optické snímače. Zde se hlavně rozlišují dva typy: difuzní a reflexní. Zatímco difuzní mají účinnost obvykle jen na několik desítek cm, reflexní mohou pracovat i na několik metrů. To platí pro provedení se zdrojem světla v podobě LED diody. V případě provedení s laserem je pak dosah obvykle cca 10x větší než u LED.

Difuzní snímače pracují na principu detekce vyslaného paprsku světla odraženého od samotného detekovaného předmětu. Tím nepotřebují žádnou odrazku a často umožňují detekci i průsvitných objektů. Blízké pozadí za detekovaným objektem však nesmí mít podobné optické vlastnosti, jako snímaný předmět a maximální snímací dosah závisí na barvě detekovaného objektu. Nejlépe se detekují bílé, nejhůře černé předměty. Obecně je pro difuzní optické snímače největší problém detekce černých produktů těsně před bílým či velmi lesklým pozadím (bílá zeď, nerezový kryt stroje apod.).

Reflexní snímače, narozdíl od difuzních, využívají k detekci objektu přerušení vysílaného paprsku světla, který je trvale odrážen od protilehlé odrazky.  Tak barva předmětu ani pozadí nijak neovlivňuje snímací dosah. Na druhou stranu musí být předměty obvykle neprůhledné. Pokud mají detekované předměty velmi malé rozměry (několik mm)  je nutné využít laserové, vláknové reflexní optozávory nebo jednocestné optosnímače. Jednocestné provedení s odděleným vysílačem a snímačem světelného paprsku však obvykle vyžadují větší zástavbový prostor.

Pokud je ještě navíc potřeba rozlišovat i různé produkty stejných rozměrů mezi sebou, lze použít optické snímače barvy, kontrastu nebo tvaru.

 Hlavní obecnou podmínkou použití optických snímačů je však provoz v čistém prostředí (hlavně vadí prach). V případě těžkého prachem znečišťovaného průmyslu je nutné použít indukční, kapacitní nebo případně ultrazvukové senzory, podle materiálu objektu, jeho vzdálenosti od snímače a stupně znečištění provozu.

Detekce průhledných obalů a produktů

I když se to může zdát divné, i průhledné objekty lze detekovat opticky. Využít lze optické snímače (reflexní nebo difuzní) detekující změnu polarizace jimi vyslaného polarizovaného světla. Pouze v případech, kdy je potřeba detekovat velmi tenké plně průhledné (čiré) pevné předměty nebo kapaliny na velmi malou vzdálenost, se obvykle nasazují kapacitní senzory.  Ty jsou navíc dobře použitelné v prašném prostředí, kde optika selhává. Nevýhodu kapacitních senzorů je velký vliv detekovaného materiálu na detekční citlivost (dáno tzv. redukčním činitelem).

Pro větší vzdálenosti je pak možné velmi dobře použít snímače ultrazvukové. Jejich nevýhodou bývá nutnost zachovat minimální výrobcem definovanou vzdálenost objektu od čela snímače, omezená přibližovací rychlost v axiálním směru a předměty musí přicházet dostatečně kolmo na čelo snímače (zvláště pokud mají velmi hladký povrch).

Detekce kapalin

Pro detekci přítomnosti kapalin v nádobách, ať již průhledných nebo neprůhledných, je možné použít kapacitní snímače. V otevřených nádobách pak i senzory ultrazvukové, které umožňují nejen kapalinu detekovat, ale i přesně měřit výšku hladiny. Nesmí jim však v cestě ke kapalině stát žádná pevná překážka.

V případě velmi dobře průhledných nádob a hůře průhledných kapalin, lze použít i difuzní, reflexní nebo jednocestné optické senzory detekující změnu polarizace světla. U barevných kapalin lze někdy použít i snímače barvy.

Detekce horkých nebo velmi chladných objektů

Pokud jsou detekované předměty velmi horké (nad 80°C) je nutné použít snímače pracující z většího odstupu. To splňují buď laserové optické reflexní snímače s velkým dosahem až 10 m, jednocestné optosenzory nebo difuzní a reflexní snímače využívající k "dopravě" světla na pracovní místo optická vlákna. Také lze využít ultrazvukové snímače s velkým dosahem, které však vyžadují výrazně větší zástavbový prostor než optické snímače a snímaný předmět musí být dostatečné rozměrný. Navíc na funkci a nastavení ultrazvukových snímačů má dost velký vliv teplota a vlhkost vzduchu a hrubost (materiálu).

Detekce velmi slabých (tenkých, plochých) nebo ležících předmětů

Pokud je potřeba detekovat přítomnost na dopravním páse velmi tenkých předmětů (několik mm) nebo je například počítat, je nutné řešit problematické rozlišení produktu a samotného pásu. Pokud je nosná podložka s produkty průhledná a produkt neprůhledný, nejedná se o velký problém. Použije se reflexní nebo jednocestná optozávora. Pokud je podložka lesklá, tedy dobře odrazná a produkt naopak světlo neodráží nebo naopak, lze opět využít optiku (difuzní optický snímač). Čím je však produkt tenčí, tím lepší a přesnější musí být snímač a musí obsahovat dobrou funkci potlačení vlivu pozadí.

Pokud má produkt výrazně jinou světlost než dopravní pás a pracovní prostředí je čisté, lze nasadit kontrastní optické snímačem. Případně pokud produkt má jinou barvu než podklad, lze použít optické snímače barvy. Nejhorší je pak případ, kdy tenký či nízký produkt je z podobného materiálu jako podložka a podobné optické vlastnosti (průhlednost nebo neprůhlednost). Pak nejde žádný z optických snímačů použít a ani ultrazvuk není vhodný. Pokud je pás plastový nebo gumový a produkty jsou alespoň částečně kovové, lze dobře využít spolehlivého indukčního snímače. Jinak je nutné zvolit některý z kapacitních snímačů.

Detekce etiket a potisku

Speciální aplikací je detekce etiket a potisku. Pokud je potřeba jen získat informaci, zda je přítomna etiketa na produktu (např. lahvi) nebo ji detekovat na nosné pásce, využívají se obvykle v případě neprůhledných etiket optosenzory. Pokud je láhev průhledná tak reflexní nebo difuzní, pokud není, tak je nutné využít snímače barvy nebo kontrastu. Snímače barvy se dají využít i pro rozlišení různých etiket.

V případě, že se detekují etikety na průsvitných nosných páskách, využívá se speciálních jednocestných vidlicových optosnímačů etiket, případně kontrastních snímačů značek. Horší je situace při průhledných etiketách. Protože je však materiál etikety obvykle jiný než materiál nosné pásky, lze použít  speciální vidlicové kapacitní nebo poslední roky také ultrazvukové snímače etiket.

Pro jednoduchou detekci správného potisku se pak využívají také kontrastní senzory nebo senzory barvy, které obvykle kontrolují etiketu až po nalepení na produkt. Pro složitější rozpoznání a kontroly typu hlídání čitelnosti značek či čárových kódů, kvality potisku etikety, barevného odstínu či správného umístění se však dnes již docela běžně využívají inteligentní kompaktní inspekční kamery, které provádějí průběžní snímání obrazu, vyhodnocení a porovnání obrazu s uloženými vzory. Jejich cena však bývá mnohonásobně vyšší než u jednoduchých jednoúčelových optických snímačů.

Závěr

Jak je z toho článku vidět, možností, jak řešit tu či onu detekci v závislosti na vlastnostech předmětů, je opravdu mnoho. Navíc nabídka mnoha výrobců je opravdu široká, zvláště v oblasti indukčních kapacitních a optických difuzních a reflexních snímačů. Zvláště se výrobci předhánějí v detekční vzdálenosti, různých automatických učících režimech a v co největší miniaturizaci. Pro více informací odkazuji na stránky některých u nás známých výrobců. Osobně mám kladné zkušenosti se snímači společností Leuze, Sick, Turck. Omron a IFM.

DOWNLOAD & Odkazy

• Domovská stránka firmy SICK - www.sick.cz
• Domovská stránka firmy ifm electronic, - www.ifm-electronic.cz
• Domovská stránka firmy Carlo Gavazzi Automation Components - www.gavazzi-automation.com
• Domovská stránka firmy TURCK  - www.turck.cz
• Domovská stránka firmy Leuze elektronic GmbH - http://www.leuze.com
• Domovská stránka firmy Omron - http://industrial.omron.cz