Wybór technologii czujników zbliżeniowych i czujników odległości

Wykorzystanie czujników zbliżeniowych i czujników odległości do wykrywania obecności i lokalizacji przedmiotów bez fizycznego kontaktu może być ważnym aspektem sterowania procesami przemysłowymi, transportu bliskiego materiałów, maszyn rolniczych, operacji produkcyjnych i montażowych oraz pakowania żywności, napojów i leków.

Czujniki te wykorzystują różne technologie, takie jak fotoelektryczna, laserowa, indukcyjna, pojemnościowa, magnetyczna oraz ultradźwiękowa. Aby dokonać najlepszego wyboru dla konkretnego zastosowania, warto uwzględnić takie aspekty jak zasięg, wielkość, dokładność, czułość, rozdzielczość oraz cena.

Kluczowym czynnikiem w wielu zastosowaniach jest materiał wykrywanego obiektu. Niektóre czujniki zachowują się inaczej w przypadku twardych i włóknistych powierzchni, a na inne może wpływać kolor lub współczynnik odbicia obiektu.

W artykule przeanalizowano ogólnodostępne technologie bezkontaktowych czujników zbliżeniowych, omawiając ich działanie, kluczowe parametry działania oraz przykładowe czujniki firmy SICK, a także niektóre docelowe zastosowania.

Czujniki fotoelektryczne

Czujniki fotoelektryczne, na przykład fotoelektryczne czujniki zbliżeniowe W10 firmy SICK, charakteryzują się łatwością obsługi i montażu oraz oferują różnorodne funkcje, które można dopasować do wielu różnych zastosowań. Dzięki solidnej budowie, czujniki W10 idealnie sprawdzają się w precyzyjnym wykrywaniu przedmiotów nawet w wymagających warunkach. Wbudowany ekran dotykowy umożliwia szybsze konfigurowanie parametrów oraz wdrażanie czujników (ilustracja 1).

Ilustracja 1: ekran dotykowy omawianych czujników fotoelektrycznych przyspiesza proces wdrażania i przekazywania do użytkowania. (Źródło ilustracji: SICK)

Dostępne moduły uczące pozwalają projektantom na dopasowanie czujników do specyficznych zastosowań. Ponadto wbudowane funkcje, takie jak regulacja prędkości, standardowe i dokładne tryby pomiarowe oraz tłumienie tła i pierwszego planu, sprawiają, że czujnik jest odpowiedni do różnorodnych zastosowań. Seria czujników składa się z czterech wersji, które różnią się między sobą zasięgiem działania oraz możliwościami montażu.

Tłumienie tła

Fotoelektryczne czujniki zbliżeniowe z funkcją tłumienia tła (BGS) działają na zasadzie triangulacji pomiędzy elementami nadawczymi i odbiorczymi. Sygnały od przedmiotów znajdujących się poza ustawionym zasięgiem wykrywania są tłumione. Dodatkowo technologia BGS firmy SICK ignoruje silnie odblaskowe przedmioty w tle i radzi sobie z trudnymi warunkami oświetleniowymi otoczenia.

Tłumienie tła jest szczególnie pomocne, gdy obiekt docelowy i tło, na przykład przenośnik taśmowy, mają zbliżony współczynnik odbicia. Jest to również przydatne, gdy współczynnik odbicia tła zmienia się, co może prowadzić do zakłóceń w procesie wykrywania.

Tłumienie pierwszego planu

Fotoelektryczne czujniki zbliżeniowe z funkcją tłumienia pierwszego planu (FGS) są w stanie wykrywać przedmioty znajdujące się w określonej odległości. Wykrywane są wszystkie przedmioty znajdujące się między czujnikiem a odległością wykrywania (ustawioną na tło). Aby zagwarantować skuteczne wykrywanie, tło powinno być dość jasne i utrzymywać stałą wysokość.

Kiedy przedmioty znajdują się na odblaskowej powierzchni, na przykład na białym lub jasnym przenośniku taśmowym, tłumienie pierwszego planu może zwiększyć skuteczność wykrywania. Czujnik identyfikuje obiekt nie przez wykrywanie światła odbitego od niego, ale przez wykrycie braku światła odbitego od przenośnika taśmowego.

Rozwiązania retrorefleksyjne

W czujniku retrorefleksyjnym światło emitowane dociera do elementu odblaskowego, a następnie światło odbite jest analizowane przez czujnik. Błędy można zminimalizować stosując filtry polaryzujące. Przezroczyste folie stretch oraz plastikowe opakowania mogą zakłócać pracę tych czujników. W przezwyciężeniu tych trudności może pomóc obniżenie czułości. Ponadto wymiana tradycyjnych emiterów światła podczerwonego na lasery może pozwolić na osiągnięcie większych zasięgów wykrywania oraz wyższej rozdzielczości.

Parametry działania czujnika retrorefleksyjnego można poprawić stosując niższą niż zwykle histerezę przełączania. W tego typu konstrukcjach można niezawodnie wykrywać nawet niewielkie tłumienie światła między czujnikiem a reflektorem, wywołane na przykład przez szklane butelki. Firma SICK oferuje także system monitorujący AutoAdapt, który w sposób ciągły reguluje i dostosowuje wartość progową przełączania, reagując na stopniowe nagromadzenie zanieczyszczeń, mogących spowodować usterkę systemu detekcji.

Rozwiązania przelotowe

W przeciwieństwie do czujników retrorefleksyjnych czujniki przelotowe wykorzystują dwa aktywne urządzenia: nadajnik i odbiornik. Wykrywanie przelotowe umożliwia większy zasięg wykrywania. Zamiana emiterów podczerwieni na diody laserowe pozwala jeszcze bardziej zwiększyć zasięg wykrywania, jednocześnie utrzymując wysoką rozdzielczość i dokładność detekcji.

Rozwiązania światłowodowe

Czujniki światłowodowe są odmianą rozwiązania przelotowego. W światłowodowym czujniku fotoelektrycznym nadajnik i odbiornik są umieszczone w jednej obudowie. Nadajnik i odbiornik korzystają z osobnych kabli światłowodowych. Te czujniki są szczególnie przydatne w ekstremalnych temperaturach oraz w trudnych i niebezpiecznych warunkach środowiskowych.

Układy czujników fotoelektrycznych

Czujniki fotoelektryczne z grupy RAY26 Reflex Array, takie jak model 1221950, zapewniają niezawodność wykrywania płaskich obiektów, a także są łatwe w przekazaniu do użytkowania. W zestawieniu z elementem odblaskowym czujniki fotoelektryczne są w stanie identyfikować nawet niewielkie, płaskie, transparentne czy nierówne przedmioty o rozmiarze zaledwie 3mm. W układzie o wysokości 55mm z jednorodnym światłem czujniki wykrywają przednią krawędź przedmiotu. To oznacza, że nawet przedmioty z perforacjami można wykrywać w sposób niezawodny, bez potrzeby skomplikowanego przełączania (ilustracja 4).

Ilustracja 2: układy czujników fotoelektrycznych potrafią wykrywać przedmioty o wielkości zaledwie 3mm w polu o wysokości 55mm. (Źródło ilustracji: SICK)

Laserowe czujniki odległości

Projektanci zastosowań takich jak kontrola poziomu w zbiornikach magazynowych, położenie przedmiotów na przenośnikach, określanie pozycji XY w zautomatyzowanych systemach wózków widłowych, pionowe ustawianie dźwigów w magazynach i na przenośnikach podwieszanych oraz kontrola średnicy podczas nawijania cewek mogą skorzystać z laserowych czujników odległości DT50. Te czujniki mierzą odległości do kilku metrów za pomocą metody czasu przelotu (ToF), korzystając z odbitego światła lasera. Gwarantują odporność na światło otoczenia oraz zapewniają precyzyjne i niezawodne działanie.

Na przykład model DT50-2B215252 ma zasięg od 200 do 30000mm i kilka szczególnych cech, takich jak:

• Wytrzymała obudowa o stopniu ochrony IP65 i IP67
• Możliwość wykonania do 3000 pomiarów odległości na sekundę
• Minimalny czas odpowiedzi 0,83ms
• Niewielka obudowa znajduje zastosowanie w wielu dziedzinach, od robotów przemysłowych po pomiar poziomu napełnienia pojemników magazynowych

Pomiary wysokiej rozdzielczości z wykorzystaniem statystyki

High-Definition Distance Measurement Plus (HDDM+) to zaawansowana technologia pomiaru odległości wykorzystująca metodę czasu przelotu (ToF) o wysokiej rozdzielczości. Może być używana w laserowych czujnikach odległości oraz w systemach LiDAR do detekcji i pomiaru dystansu za pomocą światła. HDDM+ to statystyczny proces pomiarowy, różniący się od technologii wykrywania pojedynczych impulsów czy korelacji faz.

Oprogramowanie czujnika analizuje statystycznie echa licznych impulsów laserowych, aby wyeliminować zakłócające źródła, takie jak szyby, mgła, deszcz, kurz, śnieg, liście, ogrodzenia i inne obiekty, w celu precyzyjnego określenia odległości do wybranego obiektu docelowego. Pomiar odległości może być bardzo wiarygodny nawet w trudnych warunkach otoczenia (ilustracja 5).

Ilustracja 3: Oprogramowanie HDDM+ firmy SICK wykorzystuje proces oceny statystycznej do usunięcia „szumów” pochodzące z takich elementów jak szyby, mgła, deszcz, kurz, śnieg, liście i ogrodzenia. (Źródło ilustracji: SICK)

Typowe zastosowania technologii HDDM+ to pomiar odległości w celu kontroli jakości w produkcji elektroniki, wykorzystanie technologii LiDAR do wielowymiarowego wykrywania elementów i ustalania ich pozycji w konstrukcji urządzeń mechanicznych i instalacjach, a także ustalanie położenia dźwigów przemysłowych lub pojazdów.

Zasięg wykrywania czujników HDDM+ wynosi do 1,5km w przypadku użycia taśmy retrorefleksyjnej. Na przykład model DT1000-S11101 ma zasięg do 460m z typową dokładnością pomiaru ±15mm dla obiektów naturalnych i nastawną rozdzielczość od 0,001 do 100mm.

Rozwiązania indukcyjne

Indukcyjne czujniki zbliżeniowe, na przykład z serii IME firmy SICK, mogą wykrywać przedmioty wykonane z metali żelaznych i nieżelaznych. Te czujniki składają się z obwodu rezonansowego LC (indukcyjno-pojemnościowego), który wytwarza zmienne pole elektromagnetyczne wysokiej częstotliwości. Pole ulega stłumieniu, gdy metalowy obiekt znajdzie się w obszarze detekcji. Obwód ewaluacyjny sygnału ze wzmacniaczem wykrywa tłumienie, generując sygnał wyjściowy (ilustracja 4).

Ilustracja 4: podstawowy indukcyjny czujnik zbliżeniowy składa się z obwodu LC generującego pole zmienne, układu oceniającego sygnał oraz wzmacniacza. (Źródło ilustracji: SICK)

Dwie kluczowe specyfikacje dotyczące odległości wykrywania w różnych technologiach czujników zbliżeniowych to nominalna odległość wykrywania (Sn) oraz bezpieczna odległość wykrywania (Sa). Odległość Sn nie uwzględnia tolerancji produkcyjnych ani czynników zewnętrznych, takich jak temperatura robocza. Odległość Sa uwzględnia zarówno tolerancje produkcyjne, jak i zmiany warunków pracy. Odległość Sa stanowi zazwyczaj około 81% wartości Sn. Na przykład dla modelu czujnika indukcyjnego IME08-02BPSZT0S odległość Sn wynosi 2mm, a odległość Sa wynosi 1,62mm.

Pomiar pojemnościowy

Podobnie do czujników indukcyjnych, pojemnościowe czujniki zbliżeniowe korzystają z oscylatora. W tym przypadku stosuje się otwarty kondensator, gdzie aktywna elektroda czujnika generuje pole elektrostatyczne względem ziemi. Czujniki te mogą wykrywać obecność szerokiej gamy materiałów, w tym przedmiotów metalowych i niemetalowych.

Gdy przedmiot znajdzie się w polu elektrostatycznym, amplituda oscylacji w obwodzie rezonansowym zmienia się w zależności od właściwości dielektrycznych materiału. Układ analizy sygnału wykrywa zmianę, a wzmacniacz generuje sygnał wyjściowy (ilustracja 5).

Ilustracja 5: w pojemnościowym czujniku zbliżeniowym obwód oscylacyjny tworzy pole elektrostatyczne, którego właściwości ulegają zmianie, gdy znajdzie się w nim przedmiot docelowy. (Źródło ilustracji: SICK)

Podobnie jak w przypadku indukcyjnych czujników zbliżeniowych, pojemnościowe czujniki zbliżeniowe mają kilka specyfikacji dotyczących zasięgu wykrywania, takich jak odległości Sn, Sa oraz współczynnik redukcji. Przykładowo model CM12-08EBP-KC1 ma odległość Sn wynoszącą 8mm i nominalną odległość Sa wynoszącą 5,76mm.

Wykrywany przedmiot musi być co najmniej tak duży jak powierzchnia czujnika, a odległość wykrywania zmienia się wraz ze współczynnikiem redukcji materiału. Współczynniki redukcji są związane ze stałą dielektryczną materiału i mogą wahać się od 1 dla metali i wody do 0,4 dla polichlorku winylu (PVC), 0,6 dla szkła i 0,5 dla ceramiki.

Rozwiązania magnetyczne

Magnetyczne czujniki zbliżeniowe reagują na obecność magnesu. Magnetyczne czujniki zbliżeniowe firmy SICK wykorzystują dwie technologie detekcji:

• Czujniki o gigantycznej magnetorezystancji (GMR) opierają się na rezystorach, których wartość zmienia się pod wpływem pola magnetycznego. Mostek Wheatstone'a służy do wykrywania zmiany rezystancji oraz do generowania sygnału wyjściowego. Czujniki siłowników MZT7, takie jak MZT7-03VPS-KP0, przeznaczone do użytku z siłownikami o rowkach T, wykorzystują technologię GMR do wykrywania położenia tłoka w napędach pneumatycznych i podobnych zastosowaniach.
• Technologia LC wykorzystuje obwód rezonansowy, który rezonuje z niewielką amplitudą. Jeśli pojawia się zewnętrzne pole magnetyczne, amplituda rezonansowa wzrasta. Wzrost jest wykrywany przez układ analizy sygnału, a wzmacniacz generuje sygnał wyjściowy (ilustracja 6). Model MM08-60APO-ZUA ma odległość Sn = 60mm i odległość Sa = 48,6mm.

Ilustracja 6: w zbliżeniowym czujniku magnetycznym sonda polowa może wykorzystywać technologię gigantycznej magnetorezystancji (GMR) lub LC. (Źródło ilustracji: SICK)

Czujniki ultradźwiękowe

W przypadku przedmiotów znajdujących się w odległości do 8m, projektanci mogą skorzystać z czujników ultradźwiękowych, na przykład z grupy UM30 firmy SICK. Czujniki te mają zintegrowaną kompensację temperatury w celu poprawy dokładności pomiaru i zapewniają niezależne od koloru wykrywanie przedmiotów, odporność na kurz i pracę w temperaturze do +70°C. Mierzą one dystans, wykorzystując technologię czasu przelotu, gdzie odległość oblicza się jako prędkość dźwięku pomnożoną przez całkowity czas przelotu dźwięku (t₂), a następnie wynik dzieli się przez 2 (ilustracja 6).

Ilustracja 7: czujniki ultradźwiękowe mogą mierzyć odległość, opierając się na całkowitym czasie przelotu (t₂) fal dźwiękowych. (Źródło ilustracji: SICK)

Czujniki ultradźwiękowe, na przykład model UM30-212111, sprawdzają się w monitorowaniu pustych pojemników. Wewnętrzny monitor temperatury zapewnia dokładność pomiaru na poziomie ±1%. Te niezależne od koloru czujniki mogą wykrywać trudne do rozróżnienia przedmioty nawet w obecności brudu i kurzu.

Podsumowanie

Dobrą wiadomością jest to, że istnieje szeroki wybór czujników zbliżeniowych i czujników odległości. Oznacza to, że istnieje rozwiązanie dla każdego zastosowania. Wyzwanie polega na przejrzeniu wielu opcji i znalezieniu optymalnego rozwiązania do wykrywania konkretnych materiałów w rzeczywistych warunkach zastosowania i pracy.