Jste zde

Trigonometrické optické senzory pro detekci předmětů

Trigonometrické optické senzory slouží ke spolehlivé detekci přiblížení předmětů bez potřeby instalace odrazky a bez vlivu barvy a odrazivosti vnější plochy detekovaných objektů. Přitom mohou mít dosah i několik metrů a jsou vyráběny v kompaktních pouzdrech klasických optozávor. Praktické ukázky senzorů v článku jsou prováděny na senzorech SUNX / Panasonic Electric Works, které jsou dostupné i v ČR.

V případech, kdy chceme opticky zjišťovat přítomnost předmětů v určitém prostoru a není možné někam umístit zrcátko, využívá se difusních optosenzorů. Ty však mají tu nevýhodu, že jsou citlivé na prostředí, které se okolo nich nachází, hlavně prach, pozadí za hlídaným / detekovaným prostorem a pak také výrazně na barvě a odrazivosti detekovaného předmětu. Tím může docházet k falešné detekci, například pokud za hlídaným prostorem projde pracovník nebo se detekční vzdálenost výrazně liší u různých předmětů, podle toho, z jakého jsou materiálu a jaké jsou barvy. To pak v praxi znamená buď volit kompromisní volbu a nastavení snímače nebo při střídání různých odlišných produktů nutnost snímač neustále přenastavovat a znovu seřizovat, resp. měnit jeho citlivost.

Tyto nedostatky skoro úplně odpadají u tzv. trigonometrických optických senzorů , které na první pohled vypadají jako difusní senzory, ale pracují na trošku odlišném principu.

Zatímco difusní optosenzory vyhodnocují intenzitu odraženého a na přijímač senzoru dopadajícího světla, u trigonometrického optosenzoru se vyhodnocuje úhel odrazu, resp. výška dopadu odraženého paprsku na čelo senzoru. Ta je totiž závislá právě na vzdálenosti předmětu od senzoru. Takové senzory lze nalézt v sortimentu společnosti SUNX, kterou dnes vlastní společnost Panasonic Electric Works a vyrábí široký sortiment senzorů a snímačů pro automatizaci.

 

Trigonometrické optické senzory jsou odolné proti zašpinění i na předměty v pozadí

Jak pracuje trigonometrický optický senzor ?

Jak již bylo zmíněno výše, vychází se z situace, že pokud se paprsek odráží od detekovaného předmětu pod konstantním úhlem, je vzdálenost dopadu odraženého paprsku na čelo senzoru úměrná vzdálenosti detekovaného předmětu od čela senzoru. Prakticky se tak nevyhodnocuje intenzita dopadajícího paprsku, ale místo, kam zpět odražený paprsek dopadnul. Díky tomu je detekce výrazně spolehlivější a odolnější proti rušení, protože podmínka detekovatelnosti je dána pouze schopnosti optického přijímače senzoru zaznamenat dopad odraženého paprsku, ať již má jakoukoliv intenzitu větší než minimální detekovatelnou.


 

 

Dosah bývá i několik metrů a detekce prakticky není téměř závislá na barvě detekovaného předmětu

 

Trigonometrické optické senzory mají obvykle schopnost dvou detekčních vzdáleností a bývají odolné i proti vzájemnému rušení

Z pohledu konstrukce samotného senzoru by v případě přesného analogového měření vzdálenosti bylo nutné přijímač řešit plošným snímačem jako je PSD snímač, který umí zjistit pozici dopadlého paprsku na jeho snímací plochu. Toho se nakonec využívá i u některých třípaprskových trigonometrických senzorů se spínaným výstupem, například senzory SUNX řady MQ-W, aby bylo možné snadno a přesně jen softwarově nastavit spínací hranici. Pokud nám však stačí pouze detekce typu ano/ne, resp. objekt je či není přítomen v hlídaném místě, lze použít jen klasický bodový přijímač tvořený například fotodiodou. Ten jednoduše zjišťuje, zda se předmět nachází v konkrétním místě podle toho, zda paprsek zrovna dopadá či nedopadá na místo, kde se přijímač fyzicky nachází.

Lepší přijímače trigonometrických snímačů jsou tvořeny PSD snímači, které na na základě rozdělení vygenerovaného proudu na PIN struktuře umožňují určit místo dopadu paprsku světla a tím i vzdálenost detekovaného předmětu (A až B)

V praxi se však obvykle využívá konstrukce se dvěma na světlo citlivými přijímacími plochami, která umožňuje zjistit přítomnost objektu na dvou pozicích před trigonometrickým optickým senzorem. Ty se obvykle označují jako pozice vzdálená (hlavní) a blízká (vedlejší). Z pohledu konstrukce přijímače se to obvykle řeší tzv. 2segmentovou fotodiodou, což je fyzicky jedna součástka, ale obsahuje dvě na světlo citlivá místa umístěná nad sebou. Tuto konstrukci využívají senzory SUNX řady EQ-30 a EQ-50. Toto provedení není samoúčelné, ale umožňuje použít senzor jak pro režim s potlačeným pozadím, tak s potlačeným popředím.

 

Dvě detekční místa totiž umožňují detekovat a rozlišit jak požadovaný předmět, tak například dopravní pás či podložku, na které jsou položeny. Je tedy přesně dán stav, kdy je zjištěn předmět a kdy je dopravní pás volný. Pokud senzor nedetekuje ani jednu věc, lze to například vyhodnotit jako varování, že něco není v pořádku (třeba prasklý pás), jako chybový stav, nebo jako zjištění lesklého předmětu, který paprsek rozptýlí, ale neodrazí požadovaným směrem. Záleží tedy jen na interpretaci stavů výstupů, resp. jejich přiřazení ve vyhodnocovacím či řídícím systému, kam je senzor připojen.

 

U senzorů s 2segmentovým přijímačem (element A a B) je možné detekovat předmět ve dvou různých místech - zde režim BGS

V režimu s FGS (s potlačeným popředím) je možné detekovat 3 různé stavy:
objekt není přítomen (vlevo), neprůhledný objekt je přítomen (uprostřed), průhledný objekt je přítomen (vpravo)

Jak již bylo zmíněno, z pohledu mechanického i elektrického provedení se trigonometrické snímače téměř nijak neliší od jiných difusních optosenzorů. Vyrábějí se v různě velkých plastových kvádrových pouzdrech s jedním nebo dvěma elektrickými spínanými výstupy a potenciometry pro nastavení detekční vzdálenosti a případně dalších funkcí, jako je offset, zpoždění sepnutí a rozepnutí výstupu.

Trigonometrické optické senzory mají buď jeden sdružený nebo přepínatelný výstup nebo dvojitý výstup, kde jeden je přiřazený hlavnímu detekčnímu místu (Main / Far) a druhý vedlejšímu detekčnímu místu (Sub / Near).

Třípaprskový trigonometrický senzor SUNX MW-Q

Trigonometrické senzory SUNX řady MW-Q jsou tak trošku netypické. Vyznačují se třípaprskovým principem tvořeným jedním vysílačem (červená nebo infra LED) a dvojitým přijímačem s PSD snímači umístěnými symetricky okolo vysílače. Výsledkem je schopnost přesně měřit / detekovat vzdálenost od čela senzoru i v případě svislého (vertikálního) pohybu předmětu. Zatímco v případě jen jednoho přijímače vzniká vlivem svislého pohybu objektu pohyb paprsku světla po ploše PSD snímače, i když je objekt stále stejně vzdálen od čela senzoru, u dvojitého provedení lze průměrováním obou snímačů tuto negativní vlastnost eliminovat a tím tak zvětšit přesnost detekce. Tento typ senzoru se tak dobře hodí pro detekci pohybujících se předmětům například produktů na dopravníku nebo zjištění limitního množství materiálu na odvíjející se roli.

Při svislém pohybu se vlivem různého odrazu světla pohybuje paprsek po PSD snímači, i když je vzdálenost předmětu konstantní. Odstranit to lze průměrováním signálů svou snímačů.

 

Hlavní vlastnosti:

  • Typ: třípaprskový nastavitelný trigonometrický senzor
  • Vysílač: infračervená nebo červená LED
  • Přijímač: 2x PSD snímač
  • Snímací / detekční rozsah: až 0.7 m
  • Hystereze: 10 % nebo 20 % maximální snímací vzdálenosti
  • Odezva: do 2 ms (min. 250 Hz)
  • Napájení: 9.6 až 30 V DC
  • Výstup: 1x nebo 2x tranzistorový NPN
  • Pracovní teplota: -25 to +55 °C
  • Stupeň krytí: IP67
  • Rozměry : 25 x 25 x 13 mm nebo 45 x 45 x 19 mm
  • Indikace: provoz, stabilita, detekční vzdálenost
  • Nastavení:
    • detekční vzdálenosti víceotáčkovým potenciometerem
    • přepínání reakce světlo/tma
  • Odolnost proti nepřímému světlu do 10 000 lx
  • Detekce průsvitných a neprůhledných objektů

 

Blokové schéma zapojení senzoru SUNX řady MW-Q s průměrováním signálů ze dvou PSD snímačů

SUNX řada EQ

Řada EQ představuje takovou základní řadu v nabídce SUNXu v oblasti trigonometrických optických senzorů. Jejich funkce je založena na výše popsaném přijímači tvořeném 2segmentovou fotodiodou. Použití infračervené LED, kvalitní pevně zaostřené optiky a funkce automatického potlačení interferencí umožňuje v porovnání s difusními senzory zajistit velmi dobrý dosah až 2.5 m.

Hlavní vlastnosti:

  • Typ: dvoupaprskový nastavitelný trigonometrický senzor
  • Vysílač: infračervená LED
  • Přijímač: 2segmentová fotodioda
  • Snímací / detekční rozsah: až 2.5 m
  • Hystereze: max. 10 % maximální snímací vzdálenosti
  • Odezva: do 2 ms nebo do 20 ms
  • Napájení: 10 až 30 VDC; 12 až 24 VDC nebo 24 až 240 VAC
  • Výstup: 1 x relé kontakt nebo 2x tranzistorový NPN nebo PNP
  • Pracovní teplota: -25 to +55 °C
  • Stupeň krytí: IP67
  • Rozměry : 68 x 40 x 20 mm
  • Indikace: provoz, stabilita, detekční vzdálenost
  • Nastavení:
    • detekční vzdálenosti otočným potenciometrem (hlavní i vedlejší rozsah)
    • časovače délky sepnutí výstupu
    • přepínání reakce světlo/tma
    • přepínání funkcí FGS / BGS
  • Odolnost proti nepřímému světlu do 10 000 lx
  • Detekce přítomnosti průsvitných a neprůhledných objektů

 

 

Funkce spínání výstupu a funkce indikátoru stability (vlevo) a ukázka dosahu/citlivosti senzoru na různé barvy detekovaného předmětu
(sloupce jsou stejné = detekce je totožná)

Závěr

Trigonometrické optické senzory představují zajímavou alternativu ke klasickým difusním optosenzorům pro aplikace, kde je nutný velký dosah, odolnost proti prachu a vodě, a je nutné dosáhnout nezávislou detekci na tvaru a barvě objektů. Lepší detekční vlastnosti jsou však samozřejmě vykoupeny vyšší cenou. Pro bližší informace odkazuji na stránky výrobce trigonometrických senzorů SUNX - www.sunx.cz nebo http://sunx.jp/en/. V ČR lze pak celou nabídku senzorů SUNX zakoupit u pražské firmy EIG - OEM Automatic, spol .s.r.o - www.oemautomatic.cz nebo www.eig.cz

Antonín Vojáček

DOWNLOAD & Odkazy

  • České stránky společnosti SUNX, senzory společnosti Panasonic Electric Works - www.sunx.cz
  • Domovská stránka společnosti SUNX, divize senzorů společnosti Panasonic Electric Works - http://sunx.jp/en/
  • Domovská stránka firmy EIG - OEM Automatic, spol .s.r.o, prodejce senzorů SUNX v ČR  - www.oemautomatic.cz nebo www.eig.cz.

Hodnocení článku: