Jste zde

Princip a provedení detekčních senzorů barev

Antonín Vojáček, 5. Květen 2017 - 22:51

V mnoha průmyslových aplikacích je nutné předměty třídit nebo jen rozlišovat podle jejich barvy. K tomu slouží detektory pro optické snímání a rozlišení barvy daného předmětu, tzv. Color sensors. Ty se vyskytují jako součástky, ale přímo v aplikaci, např. na dopravnících, je možné použít jejich kompletní průmyslové provedení.

Někdy v některé průmyslové automatizované aplikaci je nutné třídit výrobky podle nějaké definované vlastnosti, nebo je kontrolovat, že s nimi byla provedena požadovaná akce. Jedna z možností jak uvedený úkol řešit, je použití tzv. detektorů barvy (anglicky Color Sensors). Ty umožňují právě ono třídenní výrobků a předmětů dle barvy, kterou například jejich obal nebo víko obsahuje. Na vedlejším obrázku je příklad skleniček opatřené různobarevnými uzávěry, které například mohou určovat jejich obsah. S využitím zobrazeného detektoru barvy je možné je například automaticky vybírat ze společného dopravního pásu, palety nebo krabice. Celé se to dá laicky přiblížit k popsaným etiketám na kořenkách ve skřínce, kdy podle názvu si vybereme tu s tím pravým obsahem, který potřebujeme. Jak se můžete dočíst dále v článku, je možné jedním běžným senzorem identifikovat pouze jednu konkrétní barvu ze záplavy jiných nebo vzájemně poznat a oddělit více různých barev (např. 5 různých barev).

Použití

Detekce a třídění výrobků podle barevné značky
Kontrola přilepení etiket, značek, popisů apod.
Kontrola správného obsahu (např. tekutiny v lahvi)
Strojní průmysl - dopravníky, detekce posunu, kontrola kvality
Montážní linky - nastavení pozice (natočení) výrobku, počítání různých dílů na společném dopravním pásu
Kontrola naplnění různých zásobníků
Zjišťování chybných etiket
Kontrola barvy tekutiny
atd.

Příklady použití optických senzorů přiblížení firmy SICK.

Moderní principy snímačů barvy

Celý průmyslový senzor/detektor barvy obsahuje několik funkčních bloků vykonávající různou funkci:

vysílač/zdroj světla (obvykle složek RGB),
samotný snímač odraženého barevného světla,
vyhodnocovací obvody a logika,
výstupní obvody (spínací u digitálního/logického výstupu, lineární budič v případě analogového).

Princip detekce čtyř barevných značek čtyřkanálovým senzorem v průmyslovém provedení.

Z pohledu samotného principu detekce barvy je nejzajímavější právě snímač barvy, což je dnes obvykle již integrovaná křemíková CMOS součástka obsahující mimo samotné fotocitlivé prvky i obvody pro předzpracování signálu. Dnešní snímače detekují barvu na principu jejího rozložení na klasické složky typu RGB (červená - Red, zelená - Green, modrá - Blue) s následným porovnáním úrovní signálů každé složky s uloženými hodnotami z cyklu učení na danou konkrétní barvu. Možné je tedy každý senzor naučit na detekci libovolné barvy ze spektra. Jen mimochodem, jako velmi primitivní senzor barvy dopadajícího světla lze použít i klasickou LED diodu, která je v režimu, kdy nesvítí, schopna slabě detekovat právě přibližně barvu, kterou je schopna svítit.

Porovnání klasické struktury snímače barvy s maticí barevných filtrů (nahoře) a nejnovější paralelní struktury s detekujícími diodami nad sebou.

Na výše uvedených obrázcích jsou příklady řešení moderních struktur podrobných snímačů barvy a obrazu (color and image sensors) ve výrobcích firmy Foveon. Obvykle se používají dva přístupy konstrukce chipu. Horní provedení s umístěním jednotlivých snímacích pixelů (fotodiod) s barevnými filtry vedle sebe je sice levnější, ale při stejném počtu citlivých plošek s provedením dolním, má menší schopnost přesně rozlišit konkrétní barvu a její rozložení na snímané ploše. Na obrázku dolní paralelní provedení patří mezi novinky. Zde jsou integrovány jednotlivé fotodiody, detekující danou barvu, přímo nad sebou a tím se proti horní struktuře buď prakticky ztrojnásobí počet citlivých barevných plošek nebo je možné snížit velikost chipu. Tato technologie je však náročnější na realizaci a tím i dražší jsou takovéto senzory.

Samotný moderní snímač/detektor s vícevrstvou strukturou na barvu světla citlivých diod D1 až D3.

Princip paralelní struktury fotocitlivých diod využívá se zde známé fyzikální vlastnosti, kdy světlo různé vlnové délky (různé barvy) proniká do křemíku a ostatních materiálů pro výrobu chipů (např. GaAs) jen do určité hloubky. Lze tak nad sebe umístit fotodiody tak, že příslušná dioda pro určitou barvu bude pouze v oblasti, kam proniká jen určitá vlnová délka světla. Odpadají tak externí barevné filtry, které zde vlastně supluje určitá tloušťka vrstvy materiálu nad citlivou oblastí. Pro uvedený případ snímání barvy rozložené na složky typu RGB tak lze využít níže uvedené struktury, kde je možné vhodným provedením ve speciálních případech přímo detekovat kteroukoliv barvu spektra.

Náhradní schéma vícevrstvého detektoru barvy (vlevo) a principiální zjednodušený energetický model (vpravo).

Charakteristické parametry průmyslových detektorů barvy

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

Napájecí napětí (Supply voltage min ... max) - rozsah napětí kterým je snímač napájený, při kterém je zaručená jeho správná činnost.
Spotřeba senzoru, klidový proud (Power consumption) - proud, který snímač odebírá ze zdroje při max. napájecím napětí. Jedná se o samotnou spotřebu snímače, není v něm zahrnut proud tekoucí výstupem snímače.
Spínaný výstup a spínací proud (Switching output and switching current) - Typ spínání výstupu (NPN nebo PNP) a maximální proud, který je možno odebírat z výstupu.
Ideální snímací vzdálenost (Scanning distance) - ideální vzdálenost předmětu od čela senzoru, v které dojde ke spolehlivé detekci dané barvy.
Pracovní snímací vzdálenost (Scanning range) - maximální rozsah vzdáleností od senzoru, ve kterých může být barva objektu ještě detekována. Závisí na optice senzoru a odrazu plochy detekovaného předmětu. Proto je obvykle definována pro určité vlastnosti odrazné plochy.
Zdroj světla a jejich barva, příp. vlnová délka světla (Light source, type of light, wave length (nm)) - uvádí typ a barvu světla , kterým se osvětluje předmět u něhož se detekuje konkrétní barva
Reakční doba, odezva senzoru (Response time) - maximální doba potřebná pro zpracování změny vstupního signálu (změny barvy) na změnu výstupního signálu.
Spínací frekvence (Switching frequency) - hodnota určující u digitálních senzorů maximální rychlost změny detekované barvy, resp. rychlost pohybu detekovaných předmětů např. na výrobním pásu.
Rozměry paprsku (Light spot size) - udává průměr vyzařovaného paprsku v určité vzdálenosti od senzoru. Tato hodnota je výsledkem použité optiky a prakticky definuje minimální rozměry detekovaného objektu nebo odrazky, která musí být vždy větší než uvedená hodnota.
Směrová charakteristika - ohraničená plocha, uvnitř které bude detekován předmět splňující požadavky snímání. Materiály, které mají menší schopnost odrazu světla, mají charakteristiku relativně menší. S tím souvisí i maximální úhel odchýlení senzoru od osy kolmé na detekované místo objektu.
Výkonová rezerva, provozní rezerva - nadbytek výkonu na přijímacím prvku, která přesahuje minimální hodnotu výkonu pro požadovanou spolehlivou funkci senzoru. Provozní podmínky (špína, prach, kouř, vlhkost) pak způsobují zeslabení (útlum) signálu.

Použití typických detektorů barvy firmy SICK.

Provedení průmyslových detektorů barvy

Na poli detektorů/senzorů barvy je možné se zabývat buď z pozice vývojáře zařízení samotnými snímači - integrovanými obvody, nebo z pozice uživatele a koncového elektrotechnika již hotovými senzory - moduly, které na první pohled připomínají optické senzory přiblížení. Druhá možnost je právě náplní této kapitoly. Mnoho uvedených obecných vlastností je podobných již zmíněným senzorů přiblížení. Uvedené příklady jsou použity z konkrétních senzorů/detektorů barvy SICK.

Praktický příklad provedení detektorů barev firmy SICK.

Elektrické vlastnosti

Většina vlastností je obdobných jako u ostatních senzorů přiblížení. Napájení je obvykle stejnosměrným (DC) napětím obvykle v rozsahu 10 až 30 (příp. 50) V nebo střídavým (AC) napětím často 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 4 až 8pinový konektor rozměrů M12 nebo M8. Počet výstupních signálů obvykle závisí na počtu detekovaných barev jedním senzorem ( jeden výstup Q pro jednobarevný detektor a čtyři výstupy Q1 až Q4 u čtyřbarevného detektoru). 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 do určitého výkonu. Někdy je možné typ výstupu (na obrázku 7. označen jako Q) měnit uživatelem softwarově nebo hardwarově (vstup označen jako ET). 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. Na obrázku 8. je pak praktický příklad z datasheetu senzoru CS8-1 firmy SICK pro spínání a řízení výstupu typu NPN i PNP.

Příklad připojení kabelu přes konektor senzorů SICK řady CS8 s výstupem Q, řídícím vstupem ET (určuje NPN nebo PNP mód) a ukázkami připojení zátěže pro konkrétní typ spínání.

Nastavení mezí analogového rozsahu a naučení senzoru na konkrétní detekovanou barvu nebo více barev se provádí tzv. učením senzoru (teach mode). To je podobné jako u ultrazvukových nebo optických senzorů. Pouze často trošku složitější je samotná instalace, z důvodu přesnějšího nastavení z pohledu detekované vzdálenosti, rozměrů detekovaného předmětu nebo značky a schopnosti reflexe detekovaných objektů. Systém učení však může mít každý výrobce odlišný. Obvykle se však provádí různou posloupností přiřazování detekovaných předmětů nebo značek a různými stisky tlačítek umístěných přímo na senzoru. Někdy je doplňuje LED indikace nebo jednoduchý displej. U sofistikovanějších systémů pak může být nastavení prováděno i z PC nebo jiného nadřazeného systému například prostřednictvím RS-232, RS-485, USB, nebo v posledních letech komunikací IO-Link.

Mechanické vlastnosti

Z pohledu tvarového provedení senzoru se proti kapacitním, indukčním i ultrazvukovým senzorům se zde výrobci více preferují provedení kvádrové s různými rozměry. To je zde dáno právě nutností umístění vysílače (zdroje barevného světla) a přijímače 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 a prašnost prostředí. Někdy je možné se setkat i s provedením pro připojení optického kabelu, který "dovede" budící vysílané světlo od senzoru přímo do těsné přítomnosti detekovaného místa a pak stejně odvede odražené světlo zpět přímo na vstup snímače. Použití tohoto provedení se obvykle používá v případech velkého okolního rušení, přítomnosti mnoha ostatních optických senzorů (zamezení jejich vzájemného rušení), nebo když z nějakého důvodu není možné samotný senzor instalovat do potřebné vzdálenosti a místa.

Příklad použití senzorů barev s prodloužením optickými vlákny až přímo k detekčnímu místu.

Režim učení "Teach-In" snímačů SICK CS8 pro nastavení detekové barvy.

Příklad indikace během detekce snímačů barvy SICK CS8 - zleva: jasně rozpoznaná barva, barva rozpoznána "jen tak tak", barva nerozpoznaná.

Závěr

Uvedené průmyslové senzory barvy jsou již praxí ověřené řešení, jak bezkontaktně, s využitím optoelektroniky, třídit výrobky například na výrobních pásech. V kombinaci s optickými senzory přiblížení lze velice účinně z automatizovat celé třídící a balicí systémy, kde nemusí být téměř žádný zásah drahé lidské pracovní síly. K uvedeným příkladům provedení detektorů byli použity výrobky společnosti SICK.