Na poli průmyslových optických senzorů je mimo známých reflexních senzorů i menší skupina pracující na podobném principu - kontrastní senzory. Ty např. umožňují na čistém nebo lehce znečištěném papíře detekovat značku nebo potisk. Toho se často využívá v tiskařském nebo potravinářském průmyslu, pro kontrolu tiskových a etiketovacích strojů.

Již dříve jsem napsal seriál článků o senzorech přiblížení všech běžných druhů a typů, které lze obvykle najít u všech výrobců průmyslových snímačů (viz odkazy v sekci Download & Odkazy)

Mimo klasických optických senzorů přiblížení, pracující na principu světelné závory, a luminiscenčních senzorů přiblížení, které využívají luminiscence povrchu ozářeného objektu, je na poli snímačů ještě jeden často využívaný zástupce - kontrastní senzory.

Ty dokáží rozlišit různé kontrasty odraženého světla od povrchu předmětu a dokáží například rozlišit až 30 odstínů šedi. V tom se odlišují od klasických optických senzorů, protože ty jsou běžně schopny detekovat jen stavy "vyslaný impuls světla se odrazil od objektu" nebo "světlo se neodrazilo". Nic víc, nic míň. Kontrastní senzory naopak přijímají odražené světlo stále a podle jeho intenzity, resp. intenzity jeho jednotlivých barevných složek, dokáží rozlišit různé značky nebo různě potištěné plochy.

Použití kontrastních senzorů

• Detekce indikačních značek na výrobcích
• Rozlišení potištěných a nepotištěných ploch
• Detekce příjezdu výrobku po páse dopravníku
• Určení správného natočení výrobku pro plničku nebo etiketovačku
• Tiskařský průmysl
• Balicí linky a systémy
• Plnicí linky a systémy
• Etiketovací linky a systémy
• Potravinářský průmysl
• Farmaceutický průmysl
• Chemický průmysl

Princip funkce

Kontrastní snímače pracují na principu energetickém - reflexním. To znamená, že vyšlou jeden nebo několik po sobě jdoucích impulsů světla a snímají jejich odraz od detekované plochy předmětu. Jestliže intenzita sejmutého světla překračuje určitou hranici, dojde k signalizaci přítomnosti určené značky nebo obrazce. Při přesném zachování snímané vzdálenosti udané výrobcem, ve které má snímač největší relativní citlivost, je možné takto rozpoznat až 30 odstínů z oblasti od černé do bílé.

Obecně se kontrastní optický senzor složen z následujících bloků:

• Zdroj světla - v současné době nejčastěji LED diody, někdy i laserové diody pro náročné aplikace. Využívá se LED jedné konkrétní barvy, nebo skupina LED různých barev generující dané spektrum záření - často bílé světlo z RGB barev (Red - červená, Green -zelená, Blue - modrá).
• Snímač světla - PIN fotodioda nebo příp. fototranzistor; převádí příchozí impulsy světla na elektrický signál
• Vyhodnocovací a učící elektronika - digitalizuje a upravuje parametry elektrického signály ze snímače; provádí prahování a poskytuje schopnost učení na detekci konkrétního kontrastu
• Digitální, diskrétní nebo analogové obvody výstupů, příp. vstupů - převádí vnitřní elektrický signál na typizovaný výstupní analogový signál, provádí digitální komunikaci nějakým ze průmyslových komunikačních standardů nebo spínají výstupní relé nebo tranzistory

Rozhodující pro správnou identifikaci značky je kontrastní rozdíl mezi značkou a podkladem. Povrchové plochy přitom mohou být hrubé, hladké nebo blýskavé, materiál papír, umělá hmota nebo kov. V případě blýskavých ploch je třeba umístit senzor např. šikmo k snímanému objektu.

Charakteristické vlastnosti & parametry

Hlavními parametry optických senzorů přiblížení, které se obvykle uvádí i v katalogu nebo v popisu senzoru, jsou:

 

• Kontrast (Contrast) - poměr dvou hodnot světla odpovídající stavům při detekci povrchu objektu se značkou a bez ní.
• Snímací (spínací) vzdálenost (Scanning distance) - vzdálenost snímané plochy od senzoru, ve které dochází k maximální citlivosti detekce rozdílu kontrastu. Někdy se udává rozsah vzdáleností, ve kterých neklesne citlivost pod určitou hranici.
• Průměr paprsku (Ligth spot diameter) - udává průměr vyzařovaného paprsku v určité vzdálenosti od senzoru. Obvykle se udává pro vzdálenost danou hodnotou Scanning distance. Tato hodnota je výsledkem použité optiky.
• Směrová charakteristika - ohraničená plocha nebo maximální odklon snímače od , uvnitř které bude detekován předmět splňující požadavky snímání.
• Zdroj světla - typ použitého zdroje impulsů světla uvnitř senzoru. Obvykle jedna LED konkrétní barvy nebo skupina tří LED barev RGB. Pro náročné aplikace se využívá laserová dioda.
• Prahová úroveň (Switching threshold) - velikost přijatého optického výkonu, která právě vyvolá změnu výstupního signálu.
• Reakční doba, odezva výstupu senzoru (Response time) - minimální doba potřebná pro zpracování změny vstupního signálu na změnu výstupního signálu. Reakční doba se pohybuje v hodnotách desítek a stovek mikrosekund.
• Spínací frekvence (Switching frequency) - určuje u digitálních senzorů maximální spínací frekvenci výstupu senzoru. Zároveň tak definuje minimální rozměry a rychlost pohybu detekovaných značek nebo mezer mezi značkami např. na dopravním pásu. U nejlepších kontrastních senzorů se dosahuje hodnot až několik desítek kHz.

Provedení optických senzorů

Struktura mechanického i elektronického provedení z uživatelského pohledu je podobná s optickými senzory přiblížení. Jediný významný rozdíl je systému nastavení a v tzv. módu učení (teach mód), který je malinko složitější. Praktické příklady provedení kontrastních senzorů jsou dále prováděny n

Elektrické vlastnosti

Většina vlastností je obdobných jako u senzorů přiblížení. Napájení je obvykle stejnosměrným (DC) napětím v rozsahu 10 až 30 V (někdy až 60 V) nebo někdy i střídavým (AC) napětím v rozsahu 20 až 265 V. Připojení senzoru k dalšímu systému je obvykle přes pevně ze senzoru vyvedený kabel obvykle délky cca 2 m nebo 3 nebo 4pinový konektor rozměrů M12 nebo M8, který je často shodný s jinými druhy senzorů přiblížení (viz. obrázek 6.). Typy signálů a jejich rozložení na pinech je už různé a je nutné je vyhledat v příslušném manuálu nebo katalogovém listu senzoru. U plně digitálních senzorů se logickými silovými spínanými výstupy je obvykle výstup typu NPN, nebo PNP, tzn. spínací nebo rozpínací. Na ty lze přímo připojit spínanou zátěž. Někdy je možné typ výstup (na obrázku 7. označen jako Q) měnit uživatelem softwarově nebo hardwarově (na obrázku 7. vstup označen jako ET). Stejně tak bývá možné nastavit režim spínání na světlo nebo na tmu (viz. obrázek 6.). Někdy se objevují i signálové (měkké) logické výstupy v přímém nebo negovaném tvaru kompatibilní s TTL/CMOS. U senzorů s analogovým výstupem se vyskytují klasická napěťová rozhraní 0-10 V nebo proudové smyčky 4-20 mA. Nepříliš častá je digitální komunikace prostřednictvím nějakého komunikačního standardu. Obvykle však každý výrobce s rozsáhlejší nabídkou těchto senzorů má jeden typ s sériovou komunikací RS-232, RS-485, nebo CAN - viz senzor SICK KT8.

Obr. 7. Příklad připojení kabelu přes konektor senzoru

Režim učení senzoru (Teach-in mode)

Před samotným použitím kontrastního senzoru je nutné nejdříve provést jeho nastavení. To se v současných moderních senzorech většiny výrobců provádí elektronicky v tzv. učícím módu (teach mode). Ten se obvykle definuje postup předkládání ploch nebo značek, které má senzor rozpoznat, a které naopak nikoliv. Celý postup se obvykle ovládá jedním nebo několika tlačítky a stav zobrazován prostřednictvím LED diod nebo malinkým LED nebo LCD displejem. Praktický příklad takového učícího módu je na vedlejším obrázku 9. Zde je uveden reálný postup nastavení kontrastního senzoru SICK K10 uveřejněný v anglickém datasheetu toho senzoru. K samotnému ovládání tzv. teach-in módu jsou k dispozici: Otočný přepínač s polohami Run, Teach, +, - Univerzální potvrzovací tlačítko typu OK nebo ENTER LED indikátor sepnutí výstupu Q LED sloupcový identifikátor (displej) pro indikaci aktuální intenzity detekovaného optického signálu Postup je velmi jednoduchý: Otočení přepínače do polohy Teach (Uč se.) Senzoru se předloží konkrétní značka, která má být detekována. Stiskne se tlačítko Předloží se oblast mez značky, která nemá být detekována. Opět se stiskne tlačítko Přepínač se otočí do polohy + nebo - a provede se kontrola detekce na sloupcovém identifikátoru - viz také obrázek 10. V případě moc velké citlivosti, kdy se i případné nečistoty detekují jako značka, se v poloze přepínače "-" provede snížení stiskem tlačítka nebo naopak při nízké citlivosti se její zvýšení provede opět stiskem tlačítka při přepínači v poloze "+" Z toto je vidět, že samotné nastavení je velmi jednoduché a intuitivní, což urychluje instalaci a uvedení do provozu.

Obr. 9. Postup učení senzoru SICK KT 10

Mechanické vlastnosti

Z pohledu tvarového provedení senzoru se proti kapacitním, indukčním i ultrazvukovým senzorům, zde výrobci více preferují provedení kvádrové s různými rozměry. Například výrobek firmy SICK, kontrastní senzor KT 5W-2P (viz obrázek vedle), má rozměry 80x53x30.4 mm. To je zde dáno právě nutností umístění vysílače a přijímače obvykle nad sebe do jednoho pouzdra. V případě válcového provedení se obvykle používá rozměrů M18 nebo větších. Optické senzory přiblížení se často se vyrábí s vysokou mechanickou ochranou IP65 až IP67, mj. z důvodu obecné velké citlivosti optoelektroniky na vlhkost prostředí. Pracovní teplotní rozsah bývá někde ve rozmezí -10 nebo -20 °C až 50 nebo 60 °C.

Kontrastní senzory v nabídce firmy SICK

Závěr

Oblast použití kontrastních snímačů sice není tak široká jako u "klasických" optických senzorů přiblížení (optických závor), ale v některých aplikacích jsou nenahraditelnými pomocníky.
Praktické ukázky nastavení a použití kontrastních senzorů byly demonstrovány na výrobcích firmy SICK. Pro bližší informace o jejich vlastnostech a parametrech odkazuji na přehledné české stránky www.sick.cz.

DOWNLOAD & Odkazy

• Domovská stránka české pobočky firmy SICK, výrobce senzorů - www.sick.cz
• Domovská stránka firmy SICK - www.sick.com
  
  
• Článek o magnetických senzorech přiblížení na stránkách automatizace.HW.cz
• Článek o optických senzorech přiblížení na stránkách automatizace.HW.cz
• Článek o utrazvukových senzorech přiblížení na stránkách automatizace.HW.cz
• Článek o kapacitních senzorech přiblížení na stránkách automatizace.HW.cz
• Článek o indukčních senzorech přiblížení na stránkách automatizace.HW.cz
• Článek o indukčních senzorech s analogovým výstupem od Carlo Gavazzi na stránkách automatizace.HW.cz