Jste zde

Optické senzory s optovláknovým prodloužením

Antonín Vojáček, 25. Srpen 2007 - 21:56

Pod pojmem optické senzory nebo častěji optozávory si každý obvykle dnes představí krabičku opatřenou na jedné straně sklíčkem/čočkou pod níž je umístěn optický vysílač a přijímač a straně druhé vybavenou kabelem či konektorem. Pro detekci ve stísněných nebo nebezpečných podmínkách, či tam, kde je nutné detekovat přítomnost velmi malinkých předmětů či plošek (např. vývody integrovaných obvodů), je nutné použít speciálnější verzi v podobě optozávor či optických senzorů s optickými vlákny (světlovody). V následujícím článku naleznete současná provedení výrobců a mnoho příkladů použití...

Optické senzory přiblížení patří v průmyslové automatizaci vedle indukčních snímačů k nejpoužívanějším průmyslovým snímačům. Ať již jde o dvoucestné reflexní senzory, tzv. optozávory, využívající odraz od zrcátka, difúzní senzory s odrazem od detekovaného předmětu nebo jednocestné optozávory s odděleným přijímačem a vysílačem, jsou situace a aplikace, kde je prostě není kam přichytit nebo se do určeného prostoru vůbec nevejdou. I ty dnes nejmenší provedení pouzder nelze vždy přichytit do detekovaného prostoru ve vyhovující vzdálenosti od detekovaného předmětu, nebo to ani není z důvodu funkce dalšího zařízení, například detektoru kovů, možné. Navíc jsou tu různá nebezpečná prostředí (výbušná, radioaktivní, toxická, nebo naopak sterilní), kde přítomnost elektroniky je zakázána, nebo by zde nefungovala (vysoké teploty a vlhkost, elmag. pole apod.). V tomto případě pak připadají v úvahu další "speciální" provedení, jako jsou například optozávory s optovláknovým prodloužením. Ty mají místo klasických optických vstupů, výstupů a čoček přímo v pouzdru, napojená i několikametrová optická vlákna, která tělem senzoru vyslaný paprsek dopraví na místo určení, tedy do detekovaného prostoru a odražený signál zpět do senzoru k optickému přijímači. Optická vlákna zde tak neplní funkci snímací, ale fungují jako "dopravní vedení" světla a proto by měla mít co nejmenší vliv na samotný přenášený signál, který je generován a vyhodnocován elektronikou v pouzdru. V oblasti detekce tak postačí mezírka o velikosti několik mm.

Podobné typy jsou v nabídce všech známých výrobců optosenzorů, jakými jsou například SICK, Turck, Pepperl&Fuchs atd., i když nabídka přirozeně neobsahuje tolik možností volby jako u "klasických" optozávor.

Princip a provedení současných senzorů

Zatímco klasické provedení optosenzorů se vyskytuje obvykle ve dvou základních provedení lišících se mechanickým provedením, tj. kompaktní jednopouzdrové dvoucestné optosenzory či jednocestné optosenzory s odděleným a zvlášť zapouzdřeným vysílačem a přijímačem, u optovláknových senzorů je to v tomto směru jedno a jak pro jednocestné, tak pro dvoucestné snímání a detekci je elektronika snímače umístěná v jednom pouzdře. Rozdíl je pouze na konci ve světlovodu (kabelu), kde jsou obě dvě optická vlákna (směr od vysílače a směr k přijímači) buď fyzicky z jednoho kabelu rozdělena do dvou odlišných směrů (jednocestné snímání), nebo jsou k sobě v jednom místě přitisknuty společnou koncovkou (reflexní či difúzní detekce) - viz následující obrázky.

Dva typy optovláknových senzorů - dvoucestné reflexní / difúzní provedení (vlevo), jednocestné provedení (vpravo)

Zatímco dříve šlo prakticky jen o upravené klasické optosenzory kvádrového nebo válcového typu, dnes v nabídkách velkých a kvalitních výrobců najdeme i od nich odlišná, ale velmi zajímavá provedení.

Jde často o úzká pouzdra spíše se podobající DIN svorkovnicím, která mají na jednom úzkém konci vývody (vstup a výstup světla) pro světlovod (optická vlákna, či speciálně pro senzory uzpůsobený optický kabel), na druhém konci elektrický vývod v podobě pevného kabelu či standardního konektoru, a na svrchní straně jsou opatřeny ovládacími prvky, často kvůli zajištění určitého stupně krytí schovány pod odklápěcím průhledným krytem - viz vpravo 6 optosenzorů jednoho typu firmy Turck na jedné DIN liště a provedení 3 typů SICK senzorů na fotografiích níže.

Příklady provedení současných moderních optovláknových optosenzorů na DIN lištu firem SICK a Turck (vpravo nahoře)

Příklad provedení optosenzoru se optickými vlákny - zde konkrétně senzor SICK řady WLL (bližší popis k číslům najdete zde).

Z pohledu světlovodů se dnes využívají převážně plastové optické kabely, nejlépe je použít k senzoru určitého výrobce i kabely, které jsou spolu s ním nabízeny/doporučovány. Typ světlovodu spolu s principem detekce (jednocestný a dvoucestný) pak určuje i vzdálenost měřícího místa od samotného snímače (typ. desítky až stovky cm). Jejich upevnění se provádí mechanicky pomocí u různých výrobců různých zaklapávacích mechanismů. Například u WLL senzorů SICK se po uvolnění vstupů páčkou a správném vložený/zasunutí (vzdálenost zasunutí závisí na senzoru a použitém optickém kabelu) konce kabelu do určenému otvoru, se páčka opět překlopí zpět a vše je hotovo. S trochou zručnosti to zvládne každý a nejsou k tomu potřeba žádné speciální nástroje - viz obrazový postup níže.

Upevňování optických kabelů je obvykle jednoduché - zde návod k senzoru SICK WLL190T

Z pohledu elektrického připojení je zde často vše podobné jako u klasických optosenzorů. Obvyklé jsou 4 nebo 3 žilové pevně připojené kabely objednané délky nebo konektory. Někteří výrobci (např. SICK) nabízejí i různé speciální konektory s napevno připojeným kabelem. Některé senzory pro DIN lištu mají schopnost vzájemného propojení a komunikace (Bus Technology), čímž lze například nastavení jednoho senzoru přehrát do ostatních, potlačit vzájemnou interferenci senzorů nebo alespoň významně snížit množství propojovacích vodičů. Například lze napájení nebo řídí signál lze připojit (přivést) jen do jednoho senzoru (Master) a rozvedení do ostatních (Slave) se již provede zmíněným interním propojením. U SICK řady WLL lze takto propojit 2 až 16 vedle sebe na DIN liště umístěných senzorů.

Možnost vzájemného propojení optosenzorů SICK prostřednictvím vnitřní sběrnice

Z pohledu citlivosti, snímacího rozsahu (vzdálenost od ústí světlovodu napojeného na vysílače k ústí světlovodu přijímače) a minimálních rozměrů detekovatelného předmětu je důležitá nejen správná volba snímače, ale i výběr optického kabelu a principu detekce (reflexní dvoucestná nebo jednocestná). K tomu v datasheetu každého senzoru slouží grafy, podobný vpravo uvádí závislosti intenzity přijatého optického signálu (osa y) na snímacím (detekčním) rozsahu (osa x) a principu detekce senzoru SICK WLL240Exi.

Nastavení se provádí buď mechanicky, otáčením potenciometrů a přepínáním přepínačů a LED diod, automaticky, pomocí různých samoučících Teach módů, nebo softwarově pomocí tlačítek a malých displejů. Výstup bývá tranzistorově spínaný a napájení typicky stejnosměrným napětí v rozsahu 10 ... 30 V.

Závislost intenzity přijímaného paprsku (y) na snímacím rozsahu (x) a principu detekce

Příklady použití optozávor se světlovody

Jak již bylo zmíněno výše, optické senzory přiblížení se světlovody jsou vhodné pro prostorově omezená nebo různě nebezpečná místa, kam se nehodí nebo vůbec nelze použít klasické reflexní nebo jednocestné senzory. Dalším typem aplikace nutně vyžadující tyto senzory je kontrola a detekce velmi malých předmětů, protože vhodným optickým vláknem s vhodným zakončením lze vytvořit jen velmi úzký paprsek světla menší než je velikost detekované plochy. Toho se využívá pro počítání integrovaných obvodů, kontrolu vývodů instalovaných součástek, kontrolu přítomnosti obvodů na desce plošných spojů apod.

Další možnosti použití:

Kontrola přítomnosti součástek na kotoučích
Měření úrovně hladiny
Víceúrovňová detekce plnosti zásobníku
Počítání malých objektů
Detekce v místech, kde panuje pro elektroniku vysoká teplota (např. přes 80 °C)
Detekce v místech s vysokým tlakem či silným elmag. polem
Vícenásobná detekce v malých vzdálenostech od sebe
Detekce a měření otáčení kol
Počítání zubů ozubených kol
Detekce přítomnosti objektů v úzkých prostorách
Potřeba centrálního umístění mnoha senzorů (např. v rozvaděči)
Detekce pohybu různých dopravníků
Hlídání směru pohybu
apod.

Závěr

I když to není častá situace, občas je prostor pro detekci objektů tak omezený, že není možné použít klasické řešení a je nutné nasadit zde uvedené optozávory prodloužené optickými vlákny. Jak například ukazuje nabídka firmy SICK, Turck, či Pepperl & Fuchs, lze toto provedení senzorů nalézt v typech a provedeních, pro různé měřící rozsahy a možné délky světlovodů, tj.vzdáleností měřících míst od elektroniky senzoru.

Antonín Vojáček