Jste zde

Optické senzory přiblížení - obecný popis

Antonín Vojáček, 19. Prosinec 2005 - 15:34

Optické reflexní senzory patří mezi nejpoužívanější snímače pro zjištění přítomnosti objektů. V současnosti umožňují detekovat většinu existujících materiálů. Jejich největší výhodou je velký snímací rozsah, který v případě optických závor s laserovými diodami může přesahovat i 50 m. Princip, hlavní parametry i popis provedení senzorů je v následujícím článku...

Po předchozích článcích o indukčních, kapacitních a ultrazvukových senzorech pro detekci vzdálenosti nebo přiblížení objektu, přichází na řadu optické senzory. Ty se svými snímacími vlastnostmi, vyznačující se velkým dosahem až desítek metrů v případě optických závor, nejvíce konkurují ultrazvukovým senzorům. Proti nim však mají výhodu v možnosti detekce i ve vakuu, kde prostě ultrazvukové senzory pracovat nemohou. Mimo jiné také díky dříve zvládnuté technologii LED a fotodiod proti kompaktnímu provedení ultrazvukového piezorezonátoru, jsou více rozšířené právě optické senzory přiblížení. Tomu odpovídá i velmi široká nabídka různých provedení. U většiny výrobců, kteří nabízejí i dříve jmenované senzory přiblížení, obvykle nabídka těch optických i několikanásobně převyšuje nabídku zbývajících typů. Dnes je dokonce možné detekovat i opticky transparentní objekty, i když pro ně je nutné použít speciální provedení senzorů.

V následujícím článku pak stručně uvádím rozdělení optických senzorů přiblížení, jejich princip, charakteristické parametry a praktické průmyslové provedení. K tomu jsem mj. použil i informací z nabídky firmy SICK.

Použití

Dnes již pro snímání a detekci polohy téměř libovolných materiálů (pro průhledné materiály jsou obvykle speciálně určené senzory)
Detekce na vzdálenosti až desítek metrů
Detekce obrovských i malých objektů
Snímání pohybujících se předmětů i různých teplot
Strojní průmysl - dopravníky, detekce posunu, kontrola kvality
Montážní linky - nastavení pozice, počítání dílů
Textilní stroje - zjišťování množství materiálu na odvíjené roli
Potravinářský průmysl - např. zjišťování přítomnosti pečiva na výrobní lince, kontrola obsahu krabic, kontrola velikosti cukrářských výrobků
Sledování a detekce otvorů ve výrobcích
Kontrola velikosti předmětů
Kontrola naplnění různých zásobníků
Zjišťování chybných etiket
atd. (viz. obrázek 1.)

Obr. 1. Příklady použití optických senzorů přiblížení firmy SICK

Princip optického senzoru / závory

Princip funkce senzorů, jak již jejich název napovídá, je spjatý se světlem, resp. pracuje na principu detekce existence nebo měření intenzity paprsku světla dopadajícího na přijímací část senzoru. Obecně může být zdroj paprsku oddělen od přijímače, ale já se budu zde zaobírat pouze senzory, pracující na principu reflexe, tzn. zdroj paprsku světla i detektor jsou umístěny v jednom pouzdru. Ty jediné lze pak považovat jako alternativu k jiným typům senzorů přiblížení.
Samotný princip detekce přiblížení objektu je pak podobný jako u ultrazvukových senzorů. Tzn. měří se nebo detekuje množství odraženého světla dopadající zpět na optický detektor umístěný hned vedle vysílače. Konkrétně se měří úroveň amplitůdy nebo světelný výkon a porovnává s nastavenou, požadovanou hodnotou. To umožňuje nejen měřit vzdálenost, ale zpracovat jiné optické parametry jakou jsou kontrast a barva.

Obr. 2. Princip detekce objektu reflexním optickým senzorem

Senzor jsou tedy složené z optického vysílače a přijímače. Vysílače jsou tvořené buď LED diodou (pro dosah jednotek metrů) nebo laserovou diodou (pro dosah až několik desítek metrů). Jako LED se obvykle využívají různé diody ve viditelném spektru světla, laser se často používá červené barvy. Přijímače jsou dnes tvořené fototranzistory nebo pro výkonnější senzory rychlejšími PIN fotodiodami.

Obr. 3. Princip optického senzoru a řez jeho strukturou

Podle toho, co paprsek odráží, se senzory dělí na:

reflexní senzory/spínače přiblížení - detekuje se odražený paprsek od přiblíženého objektu
reflexní závory - detekuje se přerušení paprsku odrážejícího se od odrazky

Uvedený popis však v některých případech nemusí úplně platit, protože se i v prvním případě někdy používá přerušení paprsku a v druhém případě se někdy přidělává odrazka např. na rotující objekt a detekuje se vždy chvilkový odraz.

Reflexní senzory

Ty to senzory se svým použitím nejvíce blíží ultrazvukovým senzorům přiblížení. V běžném provedení mají měřící dosah nejčastěji do 0.5 m, ale existují dnes i senzory s větším dosahem až 2.0 m při vysílači tvořeném infra LED a až 1.5 m při použití červené laserové diody (viz. například nabídka firmy SICK).

Skupinu reflexních senzorů přiblížení, lze často dle principu detekce dále rozdělit na:

senzory s potlačeným pozadím (background proximity photosensors) - detekuje se odraz světla od detekovaného objektu, rozpoznání objektů v rámci definované vzdálenosti snímání. Objekty, které leží za touto hodnotou, jsou odcloněny.
senzor s potlačeným popředím (foreground proximity photosensors) - detekuje se odraz od pozadí za detekovaným objektem, rozpoznání nízkých objektů, např. na jedoucím pásu. Rozpoznány jsou objekty, které zmenšují vzdálenost mezi senzorem a rovinou pásu.
energetické (energetic) - také detekuje odraz světla od snímaného předmětu. Vzdálenost snímání / bod sepnutí je však nastavitelný prostřednictvím změny citlivosti.

Obr. 4. Optický senzor s potlačeným pozadím (vlevo) a popředím (vpravo)

Podle použité optiky se pak někdy dále rozlišuje několik provedení:

difuzní - používají čočky pro kolimaci paprsků, aby se vrátilo co nejvíce světla => zvětšení snímací vzdálenosti, zvýšení citlivosti na úhlu naklonění
divergentní - nemá kolimační čočky => kratší spínací vzdálenost, menší citlivost na odklonu či pootoční proti kolmému postavení proti snímanému objektu
konvergentní - používá čočku pro zaostření světla do ohniska => umožní detekovat i velmi malé objekty a z materiálů s velmi špatnou reflexí

Reflexní závory

Tyto senzory pracují na principu přerušení paprsku odráženého odrazkou připevněnou na podkladu za oblastí pro detekci objektu. Protože odrazka odráží až 3000x více světla než bílý papír, lze takto běžně detekovat předměty na vzdálenost až 10 m. Existují dnes však i senzory s větším dosahem až 22 m při vysílači tvořeném LED a až přes 50 m při použití laserové diody (viz. například nabídka firmy SICK). Navíc nemusí být senzor/závora vždy kolmý na snímaný objekt, naopak často se umisťují pod úhlem 10°, aby se zamezilo zpětnému odrazu paprsku od lesklých předmětů. Tzn. že žádoucí jev pro reflexní senzory je naopak nežádoucí pro závory. Důležitá je zde volba správné odrazky, která musí mít tvar a velikost odpovídající tvaru a velikosti detekovaného objektu a vzdálenosti od senzoru závory.

Obr. 5. Princip optických závor

Charakteristické vlastnosti & parametry

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

Směrová charakteristika (reflexní senzor) - ohraničená plocha, uvnitř které bude detekován předmět splňující požadavky snímání. Pro všechna provedení reflexních senzorů je definována referenční jednobarevná odrazná karta s 90% reflexe dle stupnice Kodak (bílý papír má reflexi o 10% nižší). Materiály, které mají menší schopnost odrazu světla, mají charakteristiku relativně menší.
Směrová charakteristika (reflexní závora) - ohraničená plocha, uvnitř které dostane senzor vždy odražený signál. V případě reflexních závor se směrová charakteristika vztahuje k referenční prostorové odrazce typického průměru 80 mm kolmé k optické ose.
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. Výkonová rezerva se uvádí jako funkce vzdálenosti a v případě reflexních závor se uvádí pro konkrétní odrazku. Závisí tedy na zvoleném rozsahu nebo snímací vzdálenosti a příslušném provedení senzorů.
Prahová úroveň - velikost přijatého výkonu, která právě vyvolá změnu výstupního signálu.
Kontrast - poměr dvou hodnot světla odpovídající stavům "světlo" (paprsek mezi přijímačem a vysílačem nepřerušen) a "tma" (paprsek přerušen). Vždy je nutné vybrat takový senzor nebo optiku, aby byl kontrast pro danou aplikaci maximální
Reakční doba, odezva výstupu senzoru - maximální doba potřebná pro zpracování změny vstupního signálu (přerušení paprsku) na změnu výstupního signálu. Tato hodnota pak určuje u digitálních senzorů maximální spínací frekvenci definující minimální rozměry a rychlost pohybu detekovaných předmětů nebo mezery mezi objekty např. na výrobním pásu.
Průměr paprsku (Ligth spot diameter) - 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.
Snímací (spínací) vzdálenost (Scanning distance) - vzdálenost od reflexního senzoru, ve které může být spolehlivě detekován objekt. Tato hodnota závisí na odrazivosti (reflexi) objektu Ro a pozadí Rh. Tato hodnota také závisí na vzdálenosti pozadí od detekovaného předmětu (viz. obrázek 6.)

Obr. 6. Ukázka grafu pro dimenzování vzdáleností mezi senzorem a objektem (x) a nedetekovaným pozadím (y - v procentech ze vzdálenosti x)

Provedení optických senzorů

Z důvodu větší rozmanitosti výrobků různých výrobců se v uvedeném přehledu budu opírat hlavně o nabídku firmy SICK. Většina informací však platí i pro ostatní optické senzory v průmyslovém provedení.

Elektrické vlastnosti

Většina vlastností je obdobných jako u ostatních senzorů přiblížení. Napájení je obvykle stejnosměrným (DC) napětím v rozsahu 10 až 50 V nebo 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, např. ultrazvukovými (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 7. vpavo). 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.

Obr. 6. Příklad připojení kabelu přes konektor senzoru

Obr. 7. Příklad senzoru s kabelem nebo konektorem s výstupem Q, řídícím vstupem ET (určuje NPN nebo PNP mód) a ukázka logického výstupu při nastavení spínání na "světlo" (L) nebo "tmu" (D).

Nastavení mezí analogového rozsahu nebo moment sepnutí logického výstupu, tzv. Učení senzoru (teach mode), je obdobné jako u ultrazvukových senzorů, akorád často trošku složitější, z důvodu přesnějšího nastavení v případech větších vzdáleností a většího počtu rušících faktorů včetně složitých tvarů, velmi malých či velkých a malé nebo naopak příliš velké schopnosti reflexe detekovaných objektů. Systém učení však může mít každý výrobce odlišné. Obvykle se však provádí různými stisky tlačítek umístěných přímo na senzoru. Někdy je doplňuje indikace z LED nebo jednoduchý displej.

Obr. 8. Pro optické reflexního senzory nutné nastavování kolmosti paprsku proti detekovanému předmětu

Obr. 9. Příklad jak učit a neučit optické závory (první dva skoupce) a senzory (zbylé dva sloupce) firmy SICK (detail)

Mechanické vlastnosti

Z pohledu tvarového provedení senzoru se proti kapacitním, indukčním i ultrazvukovým senzorům se zde výrobci více preferují provedení kvádrové s různými rozměry. Například výrobky firmy SICK mají často rozměry 15x44.4x30 mm. To je zde dáno právě nutností umítění vysílače a příjímače obvykle nadsebe 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.

Obr. 10. Praktický příklad odrazek pro reflexní závory

Závěr

Optické senzory jsou již dlouhou dobu dost rozšířené pro použití detekce přítomnosti objektů v určitém prostoru. Jejich hlavním konkurentem jsou pak ultrazvukové senzory přiblížení, které dnes již dosahují podobných parametrů. Když by jsme měli porovnat, tak ve prospěch optických senzorů hovoří užší vyzařovací/ směrová charakteristika umožňující přesnější detekci, možnost použití i ve vakuu a o něco větší dosah. Naopak nevýhodou jsou problémy s detekcí velmi lesklých a opticky transparentních předmětů a nutnost přesnější instalace. Také velkým nepřítelem optických senzorů je veškerá špína a znečistění, a to nejen odrazných ploch předmětu a optiky samotného senzoru, ale i samotného ovzduší, plynu mezi senzorem a objektem. To hlavně tyto senzory může omezovat v použití ve strojním průmyslu a dopravě.

Oblast optických senzorů přiblížení v průmyslovém provedení je velmi rozsáhlá, a proto se do délky článku vešly jen úplné základny. Pro více teoretických informací o použití, vlivech rušení a principu funkce pak odkazuji na knihu z nakladatelství BEN - "Senzory v průmyslové praxi" nebo velmi dobře zpracovaných stránek firmy SICK.

Antonín Vojáček
vojacek@ hwg.cz