- Κύβος Μ18: εξοικονομήστε χώρο με την ifm
- Τεχνολογία φωτοκυττάρων
Εισαγωγή στα φωτοκύτταρα
Όλα τα φωτοκύτταρα έχουν τα ίδια βασικά εξαρτήματα:
- Περίβλημα - διάφορα σχήματα, μεγέθη και υλικά κατασκευής
- Βασικό στοιχείο αισθητήρα - ποικίλλει ανάλογα με την τεχνολογία, αλλά πάντα περιλαμβάνει σύστημα φακού
- Ηλεκτρονικά - αξιολογούν αυτό που ανιχνεύει ο αισθητήρας
- Ηλεκτρική σύνδεση - παρέχει τροφοδοσία και σήμα(τα)
Για να χρησιμοποιήσουμε με τον καλύτερο τρόπο φωτοκύτταρα, είναι χρήσιμο να κατανοήσουμε πρώτα το φάσμα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Τα φωτοκύτταρα της ifm λειτουργούν στην ορατή (κυρίως κόκκινη) και στην υπέρυθρη περιοχή συχνοτήτων.
| Ορατό κόκκινο φως | |
|---|---|
| είναι ο καλύτερος τύπος φωτός για γενική χρήση και συνιστάται στις περισσότερες εφαρμογές. Η πλειοψηφία των αισθητήρων της ifm χρησιμοποιούν ορατό κόκκινο φως. | |
| Πλεονέκτημα | Μειονέκτημα |
|
Ευδιάκριτο σε μικρές αποστάσεις, χρήσιμο ως βοήθημα ρύθμισης |
Επηρεάζεται από το χρώμα του στόχου σε μεγαλύτερες αποστάσεις |
| Υπέρυθρο φως | |
|---|---|
| Πλεονεκτήματα | Μειονέκτημα |
|
Δεν επηρεάζεται από το χρώμα του στόχου στο μεγαλύτερο μέρος της εμβέλειας Καλή επιλογή για βρώμικο περιβάλλον - έχει τη δυνατότητα να υπερπηδάει σκόνη, ομίχλη, ατμό κλπ |
Αόρατο στο ανθρώπινο μάτι, καθιστώντας πιο δύσκολη τη ρύθμιση |
| Φως λέιζερ | |
|---|---|
| Πλεονεκτήματα | Μειονεκτήματα |
|
Ικανότητα ανίχνευσης μικρών στόχων σε μεγάλες αποστάσεις Μικρό στίγμα φωτός για μεταγωγή με μεγάλη ακρίβεια Ευδιάκριτη φωτεινή κόκκινη ακτίνα, χρήσιμη ως βοήθημα ρύθμισης |
Τα λέιζερ LED είναι γενικά πιο ακριβά από τα συνήθη κόκκινα ορατά ή υπέρυθρα LED. |
Ορολογία
Διαμορφωμένο φως – το παλμικό φως που αποστέλλει ο πομπός είναι σε συχνότητα μοναδική για κάθε οικογένεια αισθητήρων. Ο δέκτης συντονίζεται για να ανιχνεύει μόνο το διαμορφωμένο φως αυτής της συχνότητας, αγνοώντας το φως από το περιβάλλον ή από άλλες πηγές.
Συχνότητα μεταγωγής - η μέγιστη ταχύτητα με την οποία ένας αισθητήρας θα παραδώσει διακριτούς παλμούς, όταν ο στόχος εισέρχεται και φεύγει από το πεδίο ανίχνευσης. Με απλά λόγια, το πόσο γρήγορα ο αισθητήρας μπορεί να ενεργοποιηθεί και μετά να απενεργοποιηθεί, όταν περάσει ο στόχος από μπροστά του.
Αντίθεση – η διαφορά σε χρώμα και φωτεινότητα ανάμεσα σε 2 αντικείμενα. Το λευκό είναι το πιο εύκολο και το μαύρο το πιο δύσκολο χρώμα για να ανιχνευθεί.
Στίγμα δέσμης (ή φωτεινό στίγμα) – η διάμετρος του εκπεμπόμενου φωτός σε μία δεδομένη απόσταση. Αυτή η τιμή συνήθως εμφανίζεται στα τεχνικά φυλλάδια, στο μέγιστο εύρος και είναι συνάρτηση της γωνίας ανοίγματος του φακού του πομπού.
Ωφέλιμη δέσμη - η περιοχή της φωτεινής ακτίνας που πρέπει να διακόπτεται τελείως, έτσι ώστε να αλλάζει κατάσταση η έξοδος του αισθητήρα. Οι αισθητήρες που μετάγουν όταν διακόπτεται η φωτεινή δέσμη (δηλ. αισθητήρες πομπού - δέκτη και ανάκλασης με φίλτρο πόλωσης) έχουν ωφέλιμη δέσμη.Οι αισθητήρες στους οποίους η φωτεινή δέσμη ανακλάται απευθείας από τον στόχο (δηλ. αισθητήρες διάχυσης) δεν έχουν ωφέλιμη δέσμη.
Φωτεινής λειτουργίας (ή ενεργοποίησης) - η έξοδος αλλάζει κατάσταση όταν ο δέκτης ανιχνεύει φως.
Σκοτεινής λειτουργίας (ή ενεργοποίησης) - η έξοδος αλλάζει κατάσταση όταν ο δέκτης δεν ανιχνεύει φως.
Πλεόνασμα απολαβής φωτός - ο λόγος της φωτεινής ενέργειας που λαμβάνεται πραγματικά από τον αισθητήρα προς την ενέργεια που απαιτείται για την αλλαγή της κατάστασης εξόδουΗ τιμή 1 είναι το ελάχιστο που απαιτείται για την μεταγωγή της εξόδου. Οτιδήποτε πάνω από αυτό το όριο θεωρείται πλεονάζουσα τιμή.Είναι χρήσιμο εργαλείο για τον προσδιορισμό της σωστής λειτουργίας του αισθητήρα σε μη καθαρές περιοχές.
| Μέγιστο απαιτούμενο πλεόνασμα απολαβής φωτός | Περιβάλλον λειτουργίας |
|---|---|
| 1.5X | Καθαρός αέρας. Όχι ρύπανση σε φακούς ή ανακλαστήρες. |
| 5X | Ελαφρώς βρώμικο. Ελαφριά συσσώρευση σκόνης, βρωμιάς, λαδιού, υγρασίας κλπ. σε φακούς ή ανακλαστήρες. Οι φακοί καθαρίζονται σε τακτά χρονικά διαστήματα. |
| 10X | Μέτρια βρώμικο. Ορατή ρύπανση των φακών ή των ανακλαστήρων, αλλά όχι θολωμένοι. Οι φακοί καθαρίζονται περιστασιακά ή όταν είναι απαραίτητο. |
| 50X | Πολύ βρώμικο. Υψηλή ρύπανση των φακών. Πυκνή ομίχλη, υγρασία, σκόνη, καπνός ή φιλμ λαδιού, ελάχιστο καθάρισμα των φακών |
Φωτοκύτταρα πομπού - δέκτη
Ο πομπός και ο δέκτης μπαίνουν σε ξεχωριστά περιβλήματα και τοποθετούνται ο ένας απέναντι από τον άλλο.Ο φακός του πομπού στέλνει το φως που λαμβάνει ο φακός του δέκτη.
Η έξοδος αλλάζει κατάσταση, όταν ο στόχος διακόψει τη δέσμη και δεν λαμβάνει πλέον φως ο δέκτης.Όσο ο στόχος είναι μεγάλος και αρκετά συμπαγής ώστε να διακόπτει την ωφέλιμη δέσμη, το χρώμα, το σχήμα, η γωνία, η ανακλαστικότητα και το φινίρισμα της επιφάνειας δεν επηρεάζουν την εφαρμογή. Αυτό καθιστά τη λύση αυτή πιο αξιόπιστη από τη χρήση αισθητήρων διάχυσης, των οποίων η ανίχνευση εξαρτάται από το φως που ανακλάται στο στόχο.
| Πλεονεκτήματα | Μειονεκτήματα |
|
|
Η ωφέλιμη δέσμη είναι ομοιόμορφη στη διάμετρο και είναι περίπου ίση με τη διάμετρο των φακών του πομπού και του δέκτη. Όσο ο στόχος είναι τουλάχιστον τόσο μεγάλος όσο η ωφέλιμη δέσμη, η έξοδος μετάγει όταν ο στόχος διακόψει τη δέσμη.
Έξοδοι αισθητήρων πομπού-δέκτη:
- Φωτεινή ενεργοποίηση, η έξοδος ενεργή όταν ο στόχοςδεν είναι παρών.
- Σκοτεινή ενεργοποίηση, η έξοδος ενεργή όταν ο στόχοςείναιπαρών.
Παρατηρήσεις εγκατάστασης
Όταν τοποθετείτε πολλά ζεύγη πομπού-δέκτη, φροντίστε ώστε η δέσμη του ενός αισθητήρα να μην παρεμβάλλει τους άλλους δέκτες. Μια απλή λύση είναι η εναλλαγή πομπών και δεκτών όπως φαίνεται παρακάτω.
Όταν ένα ισχυρά ανακλαστικό αντικείμενο διέρχεται από μια δέσμη, μπορεί να δημιουργήσει ανάκλαση του φωτός σε έναν άσχετο δέκτη, προκαλώντας λάθος σήμα. Μια απλή λύση είναι η τοποθέτηση εμποδίων μεταξύ των αισθητήρων, που θα εμποδίσουν τις τυχαίες ανεξέλεγκτες ανακλάσεις.
Καθώς το ηλιακό φως περιέχει τα ίδια μήκη κύματος φωτός όπως οι πομποί των φωτοκυττάρων, το ιδιαίτερα ισχυρό φως του περιβάλλοντος μπορεί συχνά να μπερδέψει τους δέκτες. Αυτό συμβαίνει συνήθως όταν χρησιμοποιούνται φωτοκύτταρα σε οικιακές γκαραζόπορτες και το ηλιακό φως υπό ορισμένη γωνία μπορεί να επηρεάσει τη λειτουργία της πόρτας, Πιθανές λύσεις περιλαμβάνουν την κλίση των αισθητήρων, την τοποθέτηση εμποδίων ή την αντιστροφή θέσης του πομπού με τον δέκτη.
Φωτοκύτταρα ανάκλασης με φίλτρο πόλωσης
Ο πομπός και ο δέκτης μπαίνουν στο ίδιο περίβλημα και τοποθετούνται απέναντι από έναν ανακλαστήρα. Ο φακός του πομπού στέλνει το φως, που ανακλάται στον ανακλαστήρα και επιστρέφει στο φακό του δέκτη.
Όπως και στους αισθητήρες πομπού-δέκτη, η έξοδος αλλάζει κατάσταση, όταν ο στόχος διακόψει τη δέσμη και δεν λαμβάνει πλέον φως ο δέκτης.Όσο ο στόχος είναι μεγάλος και αρκετά συμπαγής ώστε να διακόπτει την ωφέλιμη δέσμη, το χρώμα, το σχήμα, η γωνία, η ανακλαστικότητα και το φινίρισμα της επιφάνειας δεν επηρεάζουν την εφαρμογή. Αυτό καθιστά τη λύση αυτή πιο αξιόπιστη από τη χρήση αισθητήρων διάχυσης, των οποίων η ανίχνευση εξαρτάται από το φως που ανακλάται στο στόχο.
| Πλεονεκτήματα | Μειονεκτήματα |
|
|
Η ωφέλιμη δέσμη στα φωτοκύτταρα ανάκλασης με φίλτρο πόλωσης είναι κωνική. Κοντά στον αισθητήρα, η δέσμη έχει περίπου το μέγεθος του φακού του πομπού.Κοντά στον ανακλαστήρα, έχει το μέγεθος του ανακλαστήρα Αυτό σημαίνει ότι μικρότερα αντικείμενα μπορούν να ανιχνευθούν όταν βρίσκονται κοντά στον αισθητήρα, αλλά όχι απαραίτητα όταν βρίσκονται κοντά στον δέκτη.
Έξοδοι αισθητήρα ανάκλασης με φίλτρο πόλωσης:
- Φωτεινή ενεργοποίηση, η έξοδος ενεργή όταν ο στόχοςδεν είναι παρών.
- Σκοτεινή ενεργοποίηση, η έξοδος ενεργή όταν ο στόχοςείναιπαρών.
Για τα φωτοκύτταρα ανάκλασης με φίλτρο πόλωσης απαιτούνται πρισματικοί ανακλαστήρες. Έχουν ειδική σχεδίαση για να περιστρέφουν την εισερχόμενη φωτεινή δέσμη κατά 90 μοίρες. Οι αισθητήρες διαθέτουν πάνω από τον φακό φίλτρα πόλωσης, έτσι ώστε τα φωτεινά κύματα να προσανατολίζονται μόνο προς μία κατεύθυνση. Ο ανακλαστήρας περιστρέφει τα φωτεινά κύματα ώστε να ταιριάζουν με τον προσανατολισμό του φίλτρου στον δέκτη.
Οι λαμπεροί στόχοι μπορεί να επιστρέψουν φως υψηλής έντασης στον αισθητήρα, αλλά επειδή δεν θα είναι σωστά προσανατολισμένο, δεν θα προκαλέσει λάθος σήμα.
Φωτοκύτταρα διάχυσης
Ο πομπός και ο δέκτης σε ένα φωτοκύτταρο διάχυσης βρίσκονται στο ίδιο περίβλημα. Ο στόχος ανακλά το εκπεμπόμενο φως πίσω στον αισθητήρα και ο δέκτης το αξιολογεί. Είναι σημαντικό να εξετάσετε προσεκτικά τα χαρακτηριστικά του στόχου και του φόντου πίσω από τον στόχο, όταν επιλέγετε τη σωστή λύση για μια εφαρμογή. Οι αισθητήρες διάχυσης έχουν πολύ μικρότερο πλεόνασμα απολαβής φωτός από τα ζεύγη πομπού-δέκτη, αλλά συνήθως περισσότερο από τους αισθητήρες ανάκλασης με φίλτρο πόλωσης.
Η ευαισθησία των αισθητήρων διάχυσης είναι πολύ υψηλή Μόνο το 2% της εκπεμπόμενης φωτεινής ενέργειας που ανακλάται στο στόχο μπορεί να προκαλέσει την μεταγωγή της εξόδου.
| Πλεονεκτήματα | Μειονεκτήματα |
|
|
Επιρροές στόχων:
Μεγαλύτερα αντικείμενα ανακλούν περισσότερο φως, με αποτέλεσμα μεγαλύτερη εμβέλεια.
Στους αισθητήρες με κόκκινο ορατό φως, οι ανοιχτόχρωμοι στόχοι μπορούν να ανιχνευθούν σε μεγαλύτερη απόσταση από τους σκουρόχρωμους. Το χρώμα στόχου επηρεάζει πολύ λιγότερο τους υπέρυθρους αισθητήρες. Οι γυαλιστερές επιφάνειες μπορούν να ανιχνευθούν σε μεγαλύτερη απόσταση από τις επίπεδες ή τις ματ.
Οι λείες επιφάνειες έχουν καλύτερη ανακλαστική ποιότητα από τις τραχιές. Π.χ. ένας μπλε λείος πλαστικός στόχος ανακλά περισσότερο φως από έναν μπλε βελούδινο.
Οι επίπεδοι στόχοι που είναι κάθετοι στον αισθητήρα, ανακλούν περισσότερο φως από τους επίπεδους υπό γωνία. Επίσης, οι μη επίπεδοι στόχοι τείνουν να εκτρέπουν το φως μακριά από τον αισθητήρα, με αποτέλεσμα την απώλεια ενέργειας και την μειωμένη εμβέλεια.
Παρεμβολές φόντου
Ένας αισθητήρας διάχυσης ανιχνεύει όλο το φως που ανακλάται στον δέκτη, ανεξάρτητα από την πηγή του. Το φως που ανακλάται στο φόντο φαίνεται το ίδιο με το φως του στόχου και δημιουργεί ιδιαίτερα προβλήματα όταν το φόντο είναι πιο ανακλαστικό από το στόχο και ο στόχος είναι πολύ κοντά στο φόντο.
Για να μειωθεί η ανίχνευση του φόντου:
- Τροποποιήστε το, βάφοντάς το με ένα σκοτεινό, ματ χρώμα.
- Αλλάξτε τη γωνία του αισθητήρα σε σχέση με το φόντο.
- Μειώστε την ευαισθησία του αισθητήρα για να μη βλέπει το φόντο.
- Χρησιμοποιείστε αισθητήρα διάχυσης με καταστολή φόντου.
Φωτοκύτταρα διάχυσης με καταστολή φόντου
Πρόκειται για ειδικά σχεδιασμένους αισθητήρες διάχυσης που εξαλείφουν λάθος σήματα από το φόντο, πίσω από το στόχο. Αρκετές τεχνολογίες καταστέλλουν φόντο, συμπεριλαμβανομένων: σταθερής εμβέλειας, αρχή τριγωνισμού, διάταξη διόδων, μέτρηση χρόνου τροχιάς PMD
| Πλεονεκτήματα | Μειονεκτήματα |
|
|
Σταθερής εμβέλειας
Οι φακοί του πομπού και του δέκτη είναι τοποθετημένοι υπό γωνία, για να δημιουργηθεί μια ζώνη ανίχνευσης.Αντικείμενα στη ζώνη ανίχνευσης ανακλούν το φως στο φακό του δέκτη και ανιχνεύονται.Αντικείμενα έξω από τη ζώνη ανίχνευσης (είτε πολύ κοντά, είτε πολύ μακριά) δεν έχουν τη σωστή γεωμετρία για να επιστρέψουν το φως στον δέκτη.Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται συνήθως για μικρές αποστάσεις ανίχνευσης και δεν είναι ρυθμιζόμενη.
Αρχή τριγωνισμού
Αυτή η τεχνολογία χρησιμοποιεί δύο στοιχεία λήψης για να επιτύχει καταστολή φόντου.Ένας καθρέφτης μηχανικά τοποθετημένος, χρησιμοποιώντας ένα ποτενσιόμετρο για ρύθμιση, καθορίζει το σημείο όπου ο ένας δέκτης ανιχνεύει τον στόχο και ο άλλος ανιχνεύει το φόντο. Ο αισθητήρας είναι ρυθμισμένος στη μέση μεταξύ αυτών των δύο σημείων.Ο αισθητήρας αξιολογεί τη γωνία του λαμβανόμενου φωτός για να καθορίσει εάν το φως προέρχεται από το στόχο ή το φόντο.
Διάταξη διόδων
Αυτή η μέθοδος είναι παρόμοια με την αρχή τριγωνισμού, εκτός από το γεγονός ότι οι δέκτες είναι μία διάταξη 63 διόδων. Οι επιπρόσθετοι δέκτες επιτρέπουν ακριβή καταστολή φόντου (δηλ. ο στόχος μπορεί να είναι πολύ κοντά στο φόντο).Οι αισθητήρες διάταξης διόδων διαθέτουν μικροεπεξεργαστή και προγραμματίζονται ηλεκτρονικά μέσω μπουτόν.
Μέτρηση χρόνου τροχιάς PMD
Η PMD (συσκευή φωτονικής μίξης) καθορίζει την απόσταση μεταξύ του αισθητήρα και του αντικειμένου (και του αισθητήρα και του φόντου) μετρώντας το χρόνο που χρειάζεται για να ταξιδέψει το φως από τον αισθητήρα στο στόχο και πάλι πίσω.
Μια δίοδος λέιζερ παράγει μια διαμορφωμένη ακτίνα λέιζερ.Το φως που ανακλάται στον στόχο κατευθύνεται σε ένα φωτοευαίσθητο τσιπ (PMD Smart Pixel) μέσω ενός φακού.Το τσιπ συγκρίνει τα εισερχόμενα κύματα φωτός και καταλήγει σε συμπεράσματα σχετικά με την απόσταση από τον στόχο.
Τα φωτεινά κύματα διαδίδονται από την λέιζερ πηγή φωτός. Όταν το φως αναπηδά στον στόχο, το μοτίβο φάσης μετατοπίζεται και η μετατόπιση είναι απευθείας ανάλογη προς την απόσταση.
Αυτή η μοναδική τεχνολογία παρέχει:
- Αξιόπιστη ανίχνευση μικρών ανακλαστικών στόχων
- Εύκολη τοποθέτηση - δεν εξαρτάται από χρώμα και γωνία στόχου
- Πληροφορία μετρούμενης απόστασης μέσω IO-Link
Οι λέιζερ αισθητήρες απόστασης της ifm σειρών OGD, O1D, O5D και OID χρησιμοποιούν αυτή την τεχνολογία.