Jste zde

TEST - PMD snímač měření a detekce vzdálenosti = IFM O5D100

Antonín Vojáček, 5. Červen 2015 - 21:14

IFM O5D100 je zajímavý robustní optický snímač pro průmyslové měření vzdálenosti a také přesné detekci a vyhodnocení přítomnost předmětů. Pro měření využívá metodu ToF s PMD senzorem na straně optického přijímače. IO-Link komunikace digitálně přenáší hodnotu vzdálenosti do PLC i jím lze snímač dálkově ovládat.

Díky českému zastoupení německé společnosti ifm electronic jsem měl možnost krátce vyzkoušet optický snímač pro měření a detekci vzdálenosti s označením IFM O5D100. Jeho provedení je zajímavé tím, že pro měření využívá metody "měření čas letu pulsu optického paprsku" a PMD senzor jako přijímač světla. Díky tomu tak má vysokou schopnost potlačení pozadí (narozdíl od běžných difuzních optických snímačů). Tím velmi spolehlivě měří vzdálenost stojícího i pohybujícího předmětu nezávisle na jeho okolí. Zajímavostí je také umístění jednoduchého LED segmentového displeje přímo na tělo snímače, takže i bez jakéhokoliv zpracování výstupů a dat sériové komunikace je hned vidět aktuální hodnota vzdálenosti v centimetrech. Pojďme se ale na snímač podívat podrobněji.

Základní popis snímače

Optický snímač IFM O5D100 je tradičně umístěn v kvádrovém pouzdru celooranžové barvy, což je vždy na první pohled rozlišovací znak všech snímačů od společnosti ifm electronic Jeho celkové rozměry 70 x 47 x 19 mm jsou na dnešní dobu poměrně velké, ale na druhou stranu umožňovaly snímač přímo osadit velmi kvalitním a uživatelsky příjemným ovládacím rozhraním v podobě malého červeného segmentového LED displeje a dvojicí ovládacích tlačítek. Na kraji displeje blíže čelu snímače jsou navíc integrovány malé indikační LED diody pro indikaci přítomnosti napájení (zelená LED) a sepnutí výstup, resp. detekci přiblížení předmětu na menší vzdálenost než nastavená mez (oranžová LED).

Displej jednak při provozu snímače průběžně zobrazuje aktuální vzdálenost předmětu či plochy, na který dopadá vysílaný pulsní červený laserový paprsek, nebo v režimu nastavení spínací/rozpínací hranice ukazuje nastavovanou hodnotu. K nastavení hranic pak právě slouží obě tlačítka, jejichž funkci však lze zablokovat. S jejich pomocí, a díky displeji, není nutné spínací/rozpínací (detekční) mez nastavovat jen obvyklým stylem učení přistavením konkrétního předmětu na vzdálenost, kde má být detekován, ale je možné prostě jen přímo nastavit hodnotu meze vzdálenosti v centimetrech. Samozřejmě pokud se mají detekovat například malé lehké předměty, není s učícím systémem s přistavením předmětu žádný problém. Ale pokud mají být detekovány předměty například vážící stovky kilogramů, tak jejich manipulace pro potřeby nastavení snímačů již rozhodně nemusí být jednoduchá a pak se nastavování učícím režimem stává velmi náročnou operací.

Snímač IFM O5D100 má měřící rozsah od 0,03 do 2,0 m. V tomto rozsahu se na displeji snímače zobrazují hodnoty 3 až 200 cm. Pokud je snímaný objekt příliš blízko, snímač na displeji zobrazí nápis "nEA", pokud je příliš dale, zobrazí se "FAr". Měřící rozsah je tedy vždy přesně daný a omezený a je v něm možné i kamkoliv nastavit onu spínací detekční hranici, která aktivuje/deaktivuje dva spínané tranzistorové PNP výstupy. Objekty, které leží za nastaveným spínacím bodem jsou až do vzdálenosti 20 m poměrně účinně potlačeny. Měřící frekvence je 33 Hz, tedy měřící čas je cca 30 ms, což dnes není žádná omračující hodnota, ale bez problémů dostačující pro snímání pohybujících se objektů do rychlosti cca 3 m/s.

Snímač IFM O5D100 obsahuje v pouzdře integrovaný LED displej, LED indikátory a dvě ovládací tlačítka. Displej ukazuje aktuální naměřenou vzdálenost v cm. Pokud je snímaný objekt mimo měřící rozsah, zobrazí se informace "FAr" nebo "nEA".

Mimo zmíněných dvou spínaných výstupů a přívodu napájení se na otočném připojovacím konektoru M12 standardně nachází i dnes stále populárnější sériová komunikace IO-Link. Ta průběžně v reálném čase dodává nadřazenému zařízení typu PLC, nebo případně i běžnému PC, měřené hodnoty vzdálenosti. Lze ji tedy použít jako digitální ekvivalent analogového výstupu.

Na displeji zobrazovaná hodnota vzdálenosti (např. 100 cm) je pak vidět i v PLC. Přenášená hodnota je ve 12bitovém formátu. Druhý směr komunikace, tedy z PLC do snímače, lze využít pro elektronickou změnu hodnot hranic spínaných výstupů, zablokování funkce tlačítek nebo i vypnutí zobrazení displeje, pokud nechceme, aby snímač někde v provozu "na sebe upozorňoval".

Struktura IO-Link komunikačního rámce snímače IFM O5D100.

Měřící princip ToF s PMD

Princip funkce měření vzdálenosti je postaven na metodě "měření času letu pulsu optického paprsku" ToF (Time-of-Flight). Zde se neměří, jako u běžných difuzních optických snímačů, intenzita / úroveň světla paprsku odraženého od cílového detekovaného předmětu, ale doba, která uběhne od vyslání pulsu světla z vysílače k jeho přijetí na straně přijímače. Při konstantní hodnotě rychlosti šíření světla pak lze z této hodnoty poměrně přesně spočítat vzdálenost předmětu, který puls paprsku světla odrazil.

Jako zdroj světla se využívá červený polovodičový laser, který umožňuje generovat úzký, málo se rozbíhající paprsek a současně i velmi krátké pulsy délky pouhých 1,3 ns (0,0013 mikrosekundy). Velikost / průměr stopy na předmětu je max. 5 mm, což umožňuje dobře zaměřit i malé předměty a odstínit okolí.

Na straně přijímače se využívá plošný optický PMD sensor, což je ona lesklá plocha ve tvaru obdélníku zabírající většinu plochy čela snímače. PMD je zkratka "Photonic Mixer Device" a jeho mnohapixelový CMOS time-of-flight senzor vyvinutý v roce 1996 pro potřeby bezpohybového 3D skenování povrchu předmětů. Celá plocha PMD senzoru je tvořena hustou maticí pixelů, kde každý sám osobě pracuje jako miniaturní optický přijímač, který sám detekuje dopad pulsu paprsku světla a tedy počítá svojí hodnotu doby letu od vysílače. Plocha (matice) mnoha pixelů se pak využívá z důvodu požadavku zachycení paprsků odražených od snímaného předmětu pod různým úhlem. Podle toho kam paprsek na ploše PMD senzoru dopadne, se pak mimo vzdálenosti daného odrazového místa dá spočítat i jeho sklon (úhel). Tato funkce se sice u snímače IFM O5D100 nevyužívá, ale výhodou plošného PMD technologie je zde v odolnosti natočení snímače vzhledem k detekovanému předmětu, tedy snímač nemusí na předmět mířit kolmo a i natočení snímače v ostrém úhlu k objektu je možné.

Přesnost měření snímače IFM O5D100 při oslnění externím světlem (pozadím) o intenzitě osvětlení 8klx v závislosti an vzdálenosti a barvě odrazné plochy.

Zajímavé postřehy z testování

Z praktického užívání mě opravdu zaujal integrovaný displej s okamžitým zobrazením vzdálenosti. S takovým snímačem se hned daleko lépe pracuje, jak při uvádění do provozu (mechanické nastavování jeho pozice) a při následném testování funkce, ale hlavně při nastavování hodnot spínacích mezí výstupů. Také se snadněji odlaďuje a testuje i IO-Link komunikace, když je přesně zřejmé, jaké hodnoty se mají v PLC objevit.

Velmi pozitivně hodnotím i velmi rychlou (mžikovou) reakci snímače i jeho displeje na skokovou změnu vzdálenosti cílového objektu, například, když jsem rychle přeskočil z velmi blízkého předmětu na velmi vzdálený. Měřící rozsah i přesnost není dnes již žádným unikátem a několik výrobců dnes vyrábí i přesnější snímače, ale dle mého názoru je pro většinu běžných aplikací měření na jednotky centimetrů zcela dostačující.

Snímač také má výbornou odolnost proti "oslnění" lesklým pozadí. Jeho systém měření je z principu své funkce prakticky zcela nezávislé na barvě nebo hrubosti povrchu snímané plochy (předmětu). Extrémní případ, když jsem jako nežádoucí pozadí snímači použil odrazku od reflexní optozávory, sice způsobil chybu v měření vzdálenosti cca 10 cm, ale to by mohlo vadit snad jen při snímání tenkých předmětů přímo projíždějících před odrazkou, což je z praktického hlediska nesmyslná situace. Podobné testy s běžnou reflexní vestou pak dopadli ještě lépe, chyba měření vzdálenost pověšené vesty při namíření paprsku na místo s a bez reflexního pruhu byla maximálně jednotky centimetrů. Pokud toto zkusíte s běžným optickým difuzním snímačem, reflexní pruhy jej zcela "zmatou" a detekuje chybně. Jiné lesklé plochy, jako například leštěná nerezová ocel, vůbec žádnou chybu měření v porovnání s nelesklými povrchy negenerovaly.

Snímač IFM O5D100 velmi spolehlivě pracuje s různými povrchy i barvami a ani reflexní pruhy vesty jej příliš "nerozhodí".

Základní parametry (dle údajů výrobce):

Funkce: optické měření vzdálenosti a detekce dosažení nastavené pozice
Zdroj světla: laser, vlnová délka 650 nm, výkon <= 4,4 mW, puls 1,3 ns, třída 2
Průměr světelné skvrny: < 5 mm (při snímací vzdálenosti 2 m)
Měřící rozsah: 0,03 až 2 m
Vyclonění pozadí: 20 m
Měřící frekvence: 33 Hz
Výstupy:
- Spínací výstup: 2x tranzistorový PNP spínač / rozpínač, max. zatížení 100 mA
- Komunikace IO-Link: verze 1.1, COM2 (38,4 kBaud), min. doba cyklu: 6,6 ms
Spolehlivost MTTF: 137 let
Provozní napětí: 10 až 30 V DC
Proudový odběr: 75 mA při 24 VDC
Okolní teplota: -25...60 °C
Krytí: IP 65 / IP 67
Materiál pouzdra: PA (pouzdro), V4A (čelní rám), PMMA (optika)
Signalizace: Spínací stav (žlutá LED), provoz (zelená LED), 3-poziční LED alfanumerický displej

Závěr

Snímač IFM O5D100 lze mimo aplikace přímo požadující měřit a sledovat vzdálenost, velmi dobře použít i pouze jako detektor přiblížení předmětů. Jeho nasazení je výhodné hlavně v náročných případech, kde použití běžných optozávor nebo difuzních snímačů je nevyhovující. Svojí cenou cca 4500,- Kč bez DPH je levnější než ultrazvukové snímače, které jsou dost často využívány právě v případech, kdy pro detekci přiblížení předmětů nelze z důvodů špatných optických podmínek (reflexního pozadí) použít difuzní optická čidla a pro reflexní optozávory není místo kam přidělat odrazku. Navíc měřící dosah 2 m pokrývá širokou škálu aplikací. Někde mohou trošku vadit poměrně dost velké rozměry, ale výhodou je zde zase integrovaný displej. Komunikace IO-Link pak umožňuje naměřenou vzdálenost průběžně přenášet do nadřazeného systému a provádět tak rychlou plynulou regulaci nebo záznam hodnot do databáze.