- M18-Cube: ifm корпус, що економить простір
- Технологія фотоелектричних датчиків
Вступ до фотоелектричних датчиків
Всі фотоелектричні датчики мають однакові базові компоненти:
- Корпус – різні форми, розміри і матеріали виготовлення
- Основний сенсорний елемент – залежить від технології, але завжди включає систему лінз
- Електроніка - оцінює те, що виявляє датчик
- Електричне з'єднання - забезпечує живлення та сигнал(и)
Щоб найкраще застосовувати фотоелектричні датчики, корисно розуміти спектр електромагнітного випромінювання. Фотоелектричні датчики ifm працюють у видимому (переважно червоному) та інфрачервоному діапазонах частот.
| Видиме червоне світло | |
|---|---|
| є найкращим "універсальним" типом світла і рекомендується для більшості застосувань. Більшість ifm датчиків використовують видиме червоне світло. | |
| Перевага | Недолік |
|
Легко видно на короткій відстані, що робить його корисним як допоміжний засіб у налаштуванні |
Залежність від кольору на великих відстанях |
| Інфрачервоне світло | |
|---|---|
| Переваги | Недолік |
|
Незалежність від кольору в більшій частині діапазону вимірювання Хороший вибір для брудних середовищ - він має здатність "пропалювати" пил, туман, пару тощо. |
Невидимий для людського ока, що ускладнює налаштування |
| Лазерне світло | |
|---|---|
| Переваги | Недоліки |
|
Здатність виявляти малі цілі на великих відстанях Невелика світлова пляма забезпечує точні точки перемикання Яскраво-червоний видимий промінь можна використовувати як допоміжний засіб для налаштування |
Лазерні світлодіоди, як правило, дорожчі, ніж стандартні видимі червоні або інфрачервоні світлодіоди |
Термінологія
Модульоване світло - світло, що надсилається передавачем, пульсує з частотою, унікальною для кожного сімейства датчиків. Приймач налаштований на виявлення світла, модульованого на цій частоті, і ігнорує навколишнє світло від інших джерел.
Частота перемикання - максимальна швидкість, з якою датчик подаватиме дискретні імпульси, коли ціль входить у поле чутливості та виходить з нього.Простіше, це те, наскільки швидко датчик може вмикатися та вимикатися, коли ціль проходить повз.
Контраст - різниця в кольорі та яскравості між двома об'єктами. Білий колір найлегше виявити, а чорний - найважче.
Пляма променя (або світлова пляма) - діаметр світла, що передається на заданій відстані. Цей розмір зазвичай вказується в технічних характеристиках для максимального діапазону і є функцією кута об'єктива передавача апертури.
Ефективний промінь – область світлового променя, яка повинна бути повністю перервана, щоб вихід датчика змінив стан.Датчики, які перемикаються, коли світловий промінь розривається (тобто наскрізні та поляризовані світловідбиваючі датчики), мають ефективні промені.Датчики, які відбивають світло безпосередньо від цілі (тобто дифузні датчики), не мають ефективного променя.
Світлове спрацювання (або light-on) – вихід змінює стан, коли приймач виявляє світло.
Темнове спрацювання (або dark-on) – вихід змінює стан, коли приймач не виявляє світло.
Надлишкове підсилення - відношення світлової енергії, фактично отриманої датчиком, до світлової енергії, необхідної для зміни вихідного стану.Значення підсилення 1 є мінімально необхідним для перемикання виходу.Все, що перевищує цей поріг, вважається надлишковим підсиленням.Це корисно для визначення правильної роботи датчика на забруднених зонах.
| Максимально необхідне надлишкове підсилення | Операційне середовище |
|---|---|
| 1.5X | Чисте повітря: Бруд не накопичується на лінзах чи рефлекторах. |
| 5X | Трохи брудний. Незначне накопичення пилу, бруду, масла, вологи тощо на лінзах або рефлекторах; лінзи очищуються за регулярним графіком. |
| 10X | Помірно брудний: Явне забруднення лінз або рефлекторів, але не затемнене; лінзи чистять час від часу або за потребою. |
| 50X | Дуже брудний: Сильне забруднення лінз; сильний туман, мряка, пил, дим або масляна плівка, мінімальне очищення лінз |
Датчики наскрізного променя
Також відомі як пари наскрізного променя.Передавач і приймач упаковані в окремі корпуси і встановлені один навпроти одного.Світло посилається від лінзи передавача і приймається лінзою приймача.
Вихід змінює стан, коли ціль перериває промінь і позбавляє приймач світла.Поки ціль є достатньо великою та міцною, щоб розбити ефективний промінь, колір, форма, кут, відбивна здатність та покриття поверхні не впливатимуть на застосування.Це робить їх більш надійними, ніж дифузні датчики, які залежать від відбиття світла від цілі.
| Переваги | Недоліки |
|
|
Ефективний промінь рівномірний по діаметру і приблизно дорівнює діаметру лінз передавача і приймача.Поки ціль принаймні така велика, як ефективний промінь, вихід буде перемикатися, коли ціль розбиває промінь.
Виходи для пари наскрізного променя:
- Виходи світлового спрацювання вмикаються, коли ціль не присутня.
- Виходи темнового спрацювання вмикаються, коли ціль є присутньою.
Вказівки щодо встановлення
Встановлюючи кілька пар наскрізного променя, подбайте про те, щоб промінь одного датчика не створював перешкод для інших приймачів.Просте рішення - чергувати передавачі та приймачі, як показано.
Об’єкт із високим відбиттям, що проходить через промінь, може відбивати світло на непов’язаний приймач, спричиняючи помилковий сигнал.Просте рішення - розмістити бар'єри між датчиками, щоб заблокувати будь-які випадкові відображення.
Оскільки сонячне світло містить таку ж довжину хвилі, що й фотоелектричні передавачі, дуже яскраве навколишнє світло часто може ввести в оману приймачі.Це зазвичай спостерігається, коли фотоелектричні датчики використовуються для відкривання дверей домашніх гаражів, і сонячне світло під певним кутом може перешкоджати роботі дверей.Можливі рішення включають зміну кута нахилу датчиків, додавання бар'єру або зміну місцями передавача та приймача.
Поляризовані світловідбиваючі датчики
Передавач і приймач упаковані в один корпус і встановлені навпроти рефлектора.Світло посилається від лінзи передавача, відбивається від рефлектора і повертається до лінзи приймача.
Як і з датчиками наскрізного променя, вихід змінює стан, коли ціль перериває промінь і позбавляє приймач світла.Поки ціль є достатньо великою та міцною, щоб розбити ефективний промінь, колір, форма, кут, відбивна здатність та покриття поверхні не впливатимуть на застосування.Це робить їх більш надійними, ніж дифузні датчики, які залежать від відбиття світла від цілі.
| Переваги | Недоліки |
|
|
Ефективний промінь поляризованих світловідбиваючих датчиків має форму конуса. Біля датчика промінь приблизно дорівнює розміру лінзи передавача.Біля рефлектора - це розмір рефлектора.Це означає, що менші об'єкти можуть бути виявлені поблизу датчика, але не обов'язково поблизу приймача.
Виходи для поляризаційного світловідбиваючого датчика:
- Виходи світлового спрацювання вмикаються, коли ціль не присутня.
- Виходи темнового спрацювання вмикаються, коли ціль є присутньою.
Призматичні рефлектори необхідні для поляризованих світловідбиваючих датчиків.За своєю конструкцією ці рефлектори повертають вхідний світловий промінь на 90 градусів. Датчики оснащені поляризаційними фільтрами над лінзою, тому світлові хвилі орієнтовані лише в одному напрямку. Рефлектор повертає світлові хвилі відповідно до орієнтації фільтра на приймачі.
Блискучі цілі можуть повертати світло високої інтенсивності на датчик, але оскільки світло не орієнтоване належним чином, блискучі цілі не спричинять хибного сигналу.
Дифузні датчики
Передавач і приймач в дифузному датчику розташовані в одному корпусі. Передане світло відбивається назад до датчика від цілі, і приймач оцінює його.Важливо ретельно враховувати характеристики цілі та фону за нею, щоб вибрати правильне рішення для застосування.Дифузні датчики мають набагато менше надлишкове підсилення, ніж пари наскрізного променя, але зазвичай більше, ніж поляризовані світловідбиваючі типи.
Чутливість дифузних датчиків дуже висока.Лише 2% переданої світлової енергії, відбитої від цілі, призведе до перемикання виходу.
| Переваги | Недоліки |
|
|
Вплив цілі:
Більші об'єкти відбивають більше світла, що призводить до більшої дальності виявлення.
За допомогою датчиків видимого червоного кольору світліші кольори можна виявити на більшій відстані, ніж темніші.Колір цілі має набагато менший вплив на інфрачервоні датчики.Блискучі поверхні можуть бути виявлені на більшій відстані, ніж плоскі або матові поверхні.
Гладкі поверхні мають кращу якість відбиття, ніж шорсткі поверхні.Наприклад, гладка синя пластикова ціль відбиватиме більше світла, ніж синя оксамитова ціль.
Плоскі цілі, розташовані перпендикулярно до датчика, відбивають більше світла, ніж плоскі цілі під кутом.Крім того, неплоскі цілі мають тенденцію відхиляти світло від датчика, що призводить до втрати енергії та зменшення дальності виявлення.
Фонові перешкоди
Дифузний датчик виявляє все світло, що відбивається до приймача, незалежно від його джерела.Світло, що відбивається від фону, виглядає так само, як світло від цілі, і особливо проблематично, коли фон більше відбиває, ніж ціль, і коли ціль і фон знаходяться дуже близько один до одного.
Щоб зменшити виявлення фону:
- Модифікуйте його, пофарбувавши темною рівною фарбою.
- Змініть кут нахилу датчика відносно фону.
- Зменшіть чутливість датчика, щоб "відключити" фон.
- Використовуйте дифузний датчик з вбудованим придушенням фону.
Датчики придушення фону
Ці датчики є спеціально розробленими дифузними датчиками, які виключають помилкове спрацьовування на фоні позаду цілі.Кілька технологій пригнічують фон, включаючи: Фіксований діапазон, принцип тріангуляції, діодний масив, PMD time-of-flight
| Переваги | Недоліки |
|
|
Фіксований діапазон
Лінзи передавача та приймача розташовані під кутом для створення зони виявлення.Об'єкти в зоні виявлення відбивають світло в приймальну лінзу і виявляються.Об'єкти поза зоною виявлення (занадто близько або занадто далеко) не мають правильної геометрії для повернення світла до приймача.Цей метод зазвичай використовується для коротких дистанцій і не регулюється.
Принцип тріангуляції
Ця технологія використовує два приймальних елементи, щоб отримати придушення фону.За допомогою потенціометра для регулювання дзеркало механічно позиціонується, щоб визначити точку, в якій один приймач виявляє ціль, а інший - фон.Потім датчик налаштовується на посередині між цими двома точками.Датчик оцінює кут отриманого світла, щоб визначити, чи походить воно від цілі, чи від фону.
Діодний масив
Цей метод схожий на принцип тріангуляції, за винятком того, що приймачі являють собою масив з 63 діодів.Додаткові приймачі дозволяють точно придушувати фон (тобто ціль і фон можуть бути дуже близько).Датчики діодних масивів оснащені мікропроцесором і програмуються електронним способом за допомогою кнопок.
PMD time-of-flight
PMD (Photonic Mixer Device) визначає відстань між датчиком і об'єктом (та датчиком і фоном), вимірюючи час, необхідний для проходження світла від датчика до цілі і назад.
Лазерний діод генерує модульований лазерний промінь.Світло, відбите від цілі, спрямовується на фоточутливий чіп (PMD Smart Pixel) через лінзу.Потім чіп порівнює вхідні світлові хвилі та робить висновки щодо відстані до цілі.
Світлові хвилі поширюються від лазерного джерела світла. Коли світло відбивається від цілі, фазова картина зміщується, і цей зсув прямо пропорційний відстані.
Ця запатентована технологія забезпечує:
- Надійне виявлення невеликих відбиваючих цілей
- Швидке встановлення завдяки незалежності від кольору та кута
- Інформацію про виміряну відстань через IO-Link
Лазерні датчики відстані ODG, O1D, O5D та OID від ifm використовують цю технологію.