Czujniki optyczne

Czujniki optyczne są elementami automatyki, których działanie opiera się na zasadzie wysyłania wiązki promieni świetlnych przez nadajnik i ich odbieraniu przez odbiornik.
Czujniki optyczne reagują na obiekty, które znajdują się na drodze przebiegu wiązki światła. Zaletą czujników optycznych są duże zasięgi działania uzyskiwane dla małych obudów czujników.
Szeroki zakres wykonań konstrukcyjnych czujników, użyte do ich realizacji układy elektroniczne i uzyskane parametry techniczne zapewniają dużą przydatność czujników optycznych w automatyce, we wszystkich gałęziach przemysłu.
Duże znaczenie w czujnikach optycznych odgrywa długość fali świetlnej emitowanej przez nadajnik. W większości czujniki te wykorzystują modulowane światło z zakresu bliskiej podczerwieni. Zaletą jest mała wrażliwość czujników na widzialne światło z otoczenia.
Dodatkowo poprzez wzajemną synchronizację nadajnika i odbiornika gwarantowana jest duża odporność czujników na zakłócenia i możliwość pracy w warunkach zanieczyszczenia powietrza i przy zabrudzeniu układu optycznego czujnika. Wytworzony w nadajniku silny impuls świetlny nawet osłabiony rozproszeniem dociera do odbiornika, jest wzmocniony i analizowany zapewniając poprawne działanie czujnika. Zanieczyszczenie optyczne są wyposażone powietrza i zabrudzenie układu optycznego skraca strefę działania czujnika.
Czujniki optyczne są wyposażone w wysokiej jakości systemy soczewek optycznych, które dokładnie ukierunkowują promień świetlny w nadajniku i odbiorniku, umożliwiając realizację różnych funkcji zależnie od wykonania i przeznaczenia czujników. Najczęściej czujniki optyczne są oferowane w następujących wykonaniach konstrukcyjnych: odbiciowe, refleksyjne oraz typu bramka świetlna jedno lub wielowiązkowa.
Stosowane są m.in. do kontroli położenia ruchomych części maszyn, identyfikacji obiektów znajdujących się w zasięgu działania czujników, np. przesuwające się taśmy transportowe, określenie poziomu cieczy i materiałów sypkich. Charakteryzują się dużymi strefami wykrywania obiektów.

Charakterystyczne parametry czujników optycznych

- STREFA CZUŁOŚCI
Strefą czułości dla czujników odbiciowych jest maksymalna odległość od czoła czujnika karty pomiarowej (biały karton o wymiarach 20x20cm) zbliżanej wzdłuż osi wiązki świetlnej, przy której następuje przełączenie obwodu wyjściowego czujnika.

- ZASIĘG DZIAŁANIA
Zasięgiem działania dla czujników optycznych refleksyjnych jest maksymalna odległość od czoła czujnika reflektora odblaskowego lub dla czujników typu bariera maksymalny odstęp między nadajnikiem i odbiornikiem bariery, które zapewniają poprawne działanie czujników w warunkach przerwania promieni świetnych przez obiekt znajdujący się wewnątrz zasięgu.
Wewnętrznym potencjometrem wieloobrotowym można w pewnych granicach zmieniać zasięgi czułości czujników, dostosowując ten parametr do konkretnych zastosowań

- HISTEREZA
Działanie czujników optycznych charakteryzuje występowanie histerezy przełączania, którą jest różnica odległości obiektu od czujnika, przy których czujnik zmienia stan obwodu wyjściowego.

- ZABEZPIECZENIE PRZED PRZECIĄŻENIEM I ZWARCIEM WYJŚCIA
Czujniki optyczne zasilane prądem stałym posiadają zabezpieczenie prądowe chroniące czujniki przed uszkodzeniem w wyniku krótkotrwałego i ciągłego przeciążenia lub zwarcia wyjścia.

- STREFA ROBOCZA
Strefą roboczą dla czujników optycznych odbiciowych jest maksymalna odległość kontrolowanego obiektu od czoła czujnika. Zależy ona od wielkości obiektu, barwy i faktury powierzchni oraz kąta pod którym obiekt jest widziany przez czujnik.

- NAPIĘCIE SZCZĄTKOWE
Napięciem szczątkowym określa się spadek napięcia na wyjściu czujnika stanie wysterowania wyjścia.

- WSPÓŁCZYNNIKI KOREKCYJNE
Istotny wpływ na strefę działania czujnika optycznego ma wielkość odbitego światła. Zależy ona od rodzaju materiału, z którego obiekt jest wykonany, od jego barwy, struktury i wymiarów. Jasne powierzchnie, np. biały papier odbijają silniej niż ciemny, np. czarny karton. Niżej podano współczynniki korekcyjne dla różnych materiałów, uwzględniające właściwości odbicia światła:

• Papier biały matowy 200g/m2: 1
• Metal błyszczący; 1,2 - 1,6
• Aluminium czarne eloksalowane: 1,2 - 1,8
• Styropian biały: 1
• PCW szare: 0,5
• Karton czarny błyszczący: 0,3
• Karton czarny matowy: 0,1
• Drewno surowe: 0,4

- TEMPERATURA PRACY
Zakres temperatur pracy czujników optycznych zawiera się w przedziale 10C - +50C.

- WIBRACJE
T = 55Hz, amaks = 1mm

- UDARY
bmaks = 20g, t = 11msek

- ZASILANIE
Czujniki optyczne TO stosuje się w układach automatyki prądu stałego (10 - 30V DC). Czujniki charakteryzują się małym poborem prądu ze źródła napięcia zasilającego. O poprawnej pracy czujników optycznych w dużej mierze decyduje zasilanie. Czujniki optyczne można zasilać napięciem stałym stabilizowanym lub niestabilizowanym. Przy zasilaniu napięciem iestabilizowanym tętnienia napięcia nie mogą przekraczać 10%.

- SYGNALIZACJA LED
Stan pracy czujników optycznych sygnalizuje żółta dioda świecąca.
• dla czujników odbiciowych TOO - obiekt w strefie czułości,
• dla czujników refleksyjnych TOR - reflektor odblaskowy umieszczony prawidłowo.

Budowa typowego czujnika optycznego.
(budowa typowego czujnika optycznego.jpg)

Trzy tryby pracy czujników optycznych:
(1 tryb pracy czujników optycznych.jpg)
(2 tryb pracy czujników optycznych.jpg)
(3 tryb pracy czujników optycznych.jpg)

Rodzaje czujników optycznych:

• Czujnik optyczny odbiciowy
• Czujnik odbiciowy z eliminacją wpływu tła
• Czujnik refleksyjny(BRAMKA REFLEKSYJNA) (retro-reflective sensor)
• Czujniki optyczne typu bariera (BRAMKA JEDNOKIERUNKOWA) (through-beam sensor)


Czujniki optyczne odbiciowe ZBLIŻENIOWE (proximity switch)(TOO)

Nadajnik i odbiornik umieszczone są we wspólnej obudowie. Reagują na obiekty wprowadzane w strefę działania czujnika. Zasada działania opiera się na odbijaniu promieniowania podczerwonego od powierzchni przedmiotu wykrywanego. W momencie zbliżania przedmiotu wygenerowane przez diodę nadawcza pulsujące promieniowanie podczerwone odbija się od niego i jest odbierane przez fototranzystor. Promieniowanie pulsujące stosuje się w celu wyeliminowania możliwości zakłóceń światłem obcym. Elektroniczny układ odbiorczy reaguje tylko na światło pulsujące o stałej częstotliwości. Aby można było wykorzystywać sensory optyczne w bardzo małych urządzeniach np. w mikro-napędach, promieniowanie wysyłane i odbierane jest cienkimi, i giętkimi światłowodami z włókna szklanego. Zaletą optycznych czujników odbiciowych jest umieszczenie w jednej obudowie zarówno odbiornika i nadajnika bez potrzeby użycia reflektora, co zapewnia prosty montaż, regulację i ogromne możliwości stosowania tych czujników.

(czujniki optyczne odbiciowe.jpg)



Czujnik odbiciowy z eliminacją wpływu tła

Czujniki odbiciowe z eliminacją wpływu tła praktycznie wykrywają jednakowo obiekty zarówno jasne i ciemne, a ich strefa działania jest precyzyjnie regulowana (nawet z dokładnością do 0,1 mm). Czujniki te są niezastąpione przy wykrywaniu asortymentu przemieszczającego się w pobliżu tła lub podłoża, którego czujnik nie powinien wykrywać. Również są niezawodne przy wykrywaniu detali ze szkła i materiałów transparentnych.

(czujniki odbiciow z eliminacja wplywu tla.jpg)


Czujniki optyczne refleksyjne (BRAMKA REFLEKSYJNA)(retro-reflective sensor)(TOR)

Nadajnik i odbiornik umieszczone we wspólnej obudowie i skierowane na element odblaskowy, od którego odbija się wysłana przez nadajnik wiązka promieni świetlnych. Przesłonięcie wiązki przez obiekt powoduje przerwanie transmisji i uaktywnienie czujnika. Czujniki optyczne refleksyjne wymagają montażu reflektora umieszczonego na osi wiązki optycznej wysyłanej przez czujnik. Wykrywają obiekty pojawiające się między czujnikiem a lusterkiem. Zaletą tych czujników jest większy zasięg, który nawet dochodzi do 12 m w porównaniu z czujnikami optycznymi odbiciowymi oraz brak wrażliwości na kolor obiektu.

(czujniki optyczne refleksyjne.jpg)


Czujniki optyczne typu bariera (BRAMKA JEDNOKIERUNKOWA) (through-beam sensor) (TOB)

Czujniki optyczne typu bariera składają się z dwóch niezależnie zasilanych elementów: nadajnika i odbiornika. Usytuowane są wzdłuż jednej osi wyznaczonej przez wiązkę nadajnika. Czujniki wykrywają obiekty pojawiające się miedzy nadajnikiem a odbiornikiem. Posiadają one najdłuższe strefy działania w porównaniu z czujnikami odbiciowymi i refleksyjnymi (do 50m).

(czujniki optyczne typu bariera.jpg)


Podział czujników optycznych:

- Czujniki standardowe
- Czujniki szczelinowe
- Czujniki do detekcji kolorów
- Czujniki do detekcji kolorowych znaczników
- Czujnik analogowy
- Czujniki do detekcji materiałów przeźroczystych
- Czujniki współpracujące ze światłowodami
- Czujniki laserowe
- Inteligentne czujniki obrazu – systemy wizyjne
- Czujniki do pomiaru odległości

Czujniki standardowe

W zależności od wymagań aplikacji mogą to być duże czujniki odporne na warunki atmosferyczne jak i małe, precyzyjne czujniki do wykrywania miniaturowych obiektów. Większość z nich wyposażona jest w technologię "Touch to Teach" ułatwiającą dostrajanie czujników do konkretnego obiektu, który ma być wykrywany.

Zakresy dla trybów pracy:
- odbicia 100 -300 mm
- odbicia z reflektorem ok.2m
- nadajnik-odbiornik ok.7m


Czujniki szczelinowe

Czujniki szczelinowe, dzięki swojej budowie pozwalają wykorzystać zalety wykrywania obiektów na zasadzie nadajnik – odbiornik. Czujniki te są idealne do wykrywania znaków na taśmie i przerwania taśmy. Widełkowy kształt eliminuje potrzebę ustawiania osi optycznych. Czujniki wykorzystywane do szybkich procesów.

Główne parametry:
- Zakresy działania 10 - 30 mm
- Tryb pracy: nadajnik-odbiornik.
- Częstotliwość przełączania do 3kHz.
- Zbieżna wiązka świetlna
- Małe wymiary.
- Wykrywanie obiektów do 0,3mm


Czujniki do detekcji kolorów

Czujniki koloru służą do bezdotykowej detekcji nieprzeźroczystych obiektów na podstawie ich koloru. Nadajniki emitują impulsy światła w trzech podstawowych kolorach czerwonym, zielonym i niebieskim, które odbijane są przez obiekt. Odbite światło odebrane przez odbiornik jest wzmacniane, zamieniane na sygnały cyfrowe i przetwarzane w mikroprocesorze. Jeżeli wartość sygnału odpowiada wcześniej zarejestrowanej wartości odniesienia, przełączone zostanie wyjście czujnika.

Główne parametry:
- Średnica plamki wykrywającej 3 - 12 mm
- Zasięg ok. 60 mm
- Możliwość rejestracji do 4 kolorów

Czujniki do detekcji kolorowych znaczników

Czujniki te wykrywają obiekty laminowane i połyskujące w sposób stabilny, bez wpływu odbijanego oświetlenia.

Główne parametry:
- Średnica plamki wykrywającej 1 - 4 mm
- Zasięg ok.10 mm


Czujnik analogowy

Na wyjściu optycznych czujników analogowych otrzymujemy sygnał analogowy prądowy lub napięciowy proporcjonalny do odległości między czujnikiem a wykrywanym obiektem. Doskonale zdają egzamin w układach do precyzyjnego pomiaru wielkości liniowych, parametrów elementów przemieszczających się, wykonujących drgania itp.


Czujniki do detekcji materiałów przeźroczystych

W czujnikach refleksyjnych do detekcji szkła i folii nadajnik i odbiornik znajdują się w jednej obudowie. Nadajnik emituje promień światła, który po odbiciu od odbłyśnika poda na odbiornik. W przeciwieństwie do normalnych czujników refleksyjnych czujniki te posiadają małą histerezę przełączania. Dzięki temu czujnik przełącza już przy nieznacznym tłumieniu spowodowanym prze materiały przeźroczyste.


Czujniki współpracujące ze światłowodami

Czujniki współpracujące ze światłowodami stosowane są do wykrywania obiektów w miejscach niedostępnych przez czujniki w standardowych obudowach lub w środowisku agresywnym lub o wysokiej temperaturze do 250 C (w przypadku światłowodów szklanych w oplocie silikonu lub zbrojonych) . Konstrukcja tych czujników umożliwia mechaniczne połączenie nich ze współpracującymi światłowodami, które są elementami wymienialnymi.


Czujniki laserowe

Czujniki laserowe znajdują zastosowanie wszędzie tam, gdzie małe obiekty muszą być wykrywane lub gdzie konieczne jest bardzo dokładne określenie położenia. Dzięki małemu kątowi rozwarcia wiązki można osiągnąć bardzo duże zakresy działania, nawet do 60m.


Inteligentne czujniki obrazu – systemy wizyjne

Czujniki wizyjne wypełniają lukę między standardowymi sensorami optycznymi a kompaktowymi systemami wizyjnymi. Są tak łatwe w użyciu jak czujnik ale dodatkowo oferują o wiele więcej możliwości w miejsce zwykłej kontroli obecności. Czujnik obrazu jest przeznaczony do wykrywania różnego rodzaju patern oraz znaczników. Posiada w zależności od typu dwa rodzaje matryc. Typ FA 30 WCM PA ... bazuje na chipie CMOS, a seria FA 30 WCC PA ... bazuje na chipie CCD. Czujnik posiada trzy tryby pracy: wykrywanie różnicy pikseli białych i czarnych na obszarze o zapamiętanej rozdzielczości (Kontrast), wykrywanie różnicy w skali szarości (Greylevel), wykrywanie błędnej paterny lub odchyłki od zaprogramowanej pozycji (Patern Maching / Position Control). Jego wejście cyfrowe pozwala na doprowadzenie sygnału (z innego czujnika) wyzwalającego moment kontroli (paterny) z możliwością wykorzystania wbudowanego źródła światła. Czujnik posiada oprogramowanie na PC, dzięki któremu możliwy jest podgląd badanego obrazu, zaprogramowanie i wgranie ustawień do pamięci czujnika. Zasada działania polega na przekazywaniu informacji w postaci sygnału analogowego proporcjonalnego do wybranego parametru badanego obiektu. Pomiar może być dokonywany w czasie przemieszczania się obiektu na linii. Badany element jest wprowadzany pomiędzy kamerę a świetlówkę, przesłaniając pole widzenia świetlówki przez kamerę.


Czujniki do pomiaru odległości

Czujniki do pomiaru odległości wykorzystują metodę czasu przelotu promienia świetlnego. Promień światła jest emitowany przez diodę i odbity przez obiekt. Mierzony przy tym jest czas potrzebny na przebycie drogi przez światło od czujnika do obiektu i z powrotem. Ponieważ prędkość światła jest stała, odległość może zostać obliczona na podstawie czasu potrzebnego na przebycie drogi.

Niezbędne akcesoria do montażu w postaci inteligentnych złączek

Inteligentne złączki serii MF są urządzeniami przeznaczonymi do montażu pomiędzy czujnik z wyjściem cyfrowym a konektorem sygnałowo - zasilającym. Złączka taka poszerza możliwości czujnika. Współpracując z czujnikiem umożliwia zliczanie elementów, przedłużanie czasu zdziałania czujnika, ignorowanie impulsów zakłócających. Można je łączyć szeregowo uzyskując bardziej złożone funkcje. Komplet złączek to w chwili obecnej podstawowy pakiet ratunkowy każdego automatyka.