Třídění výběru technologie senzorů přiblížení a vzdálenosti

Použití senzorů přiblížení a vzdálenosti k detekci přítomnosti a polohy předmětů bez fyzického kontaktu může být důležitým aspektem řízení průmyslových procesů, jako je manipulace s materiálem, zemědělské stroje, výrobní a montážní operace a balení potravin, nápojů a léčiv.

Tyto senzory jsou k dispozici s využitím různých technologií včetně fotoelektrických, laserových, induktivních, kapacitních, magnetických a ultrazvukových. Při určování nejlepší volby pro danou aplikaci je třeba vzít v úvahu faktory, jako je rozsah, velikost, přesnost, citlivost, rozlišení a cena.

Klíčovým faktorem v mnoha aplikacích je materiál detekovaného předmětu. Některé senzory se chovají odlišně u tvrdých a vláknitých povrchů a jiné senzory mohou být ovlivněny barvou nebo odrazivostí předmětu.

V tomto článku jsou shrnuty běžně dostupné technologie bezkontaktních senzorů přiblížení, dále se článek zabývá jejich fungováním a základními výkonnostními charakteristikami a jsou v něm uvedeny příklady senzorů od společnosti SICK spolu s některými zamýšlenými aplikacemi.

Fotoelektrické senzory

Fotoelektrické senzory, jako jsou například fotoelektrické senzory přiblížení W10 od společnosti SICK, se snadno používají a instalují a jsou k dispozici s řadou funkcí vhodných pro četné aplikace. Díky robustní konstrukci jsou senzory W10 vhodné pro přesnou detekci předmětů v náročných prostředích. Integrovaná dotyková obrazovka urychluje nastavení parametrů a nasazení senzoru (obrázek 1).

Obrázek 1: Dotyková obrazovka těchto fotoelektrických senzorů může urychlit uvedení do provozu a nasazení. (Zdroj obrázku: společnost SICK)

Dostupné výukové moduly umožňují konstruktérům přizpůsobit tyto senzory specifickým požadavkům aplikace. Kromě toho integrované funkce, jako je nastavení rychlosti, standardní a přesný režim měření a potlačení popředí a pozadí, znamenají, že jeden senzor lze použít celé v řadě aplikací. Řada senzorů zahrnuje čtyři varianty, které se liší svými provozními vzdálenostmi a možnostmi montáže.

Potlačení pozadí

Fotoelektrické senzory přiblížení s potlačením pozadí („background suppression“, BGS) využívají triangulaci mezi vysílajícím a přijímacím prvkem. Signály z předmětů za nastaveným dosahem snímání jsou potlačeny. Technologie BGS společnosti SICK navíc ignoruje vysoce reflexní předměty v pozadí a dokáže si poradit s obtížnými světelnými podmínkami okolního prostředí.

Potlačení pozadí je zvláště užitečné, když cílový předmět a pozadí (jako dopravní pás) mají podobnou odrazivost nebo pokud je odrazivost pozadí proměnlivá a může způsobit rušení detekce.

Potlačení popředí

Fotoelektrické senzory přiblížení s potlačením popředí („foreground suppression“, FGS) mohou detekovat předměty v definované vzdálenosti. Detekovány jsou všechny předměty mezi senzorem a vzdáleností snímání (nastavenou na pozadí). K zajištění spolehlivého snímání musí být pozadí relativně světlé a neměla by se měnit jeho výška.

Když jsou předměty na reflexním povrchu, jako je bílý nebo světlý dopravní pás, může potlačení popředí zlepšit detekci. Namísto detekce světla odrážejícího se od předmětu senzor detekuje předmět podle nepřítomnosti světla odraženého od dopravníkového pásu.

Retroreflexní senzory

U retroreflexního senzoru dopadá vyzařované světlo na reflektor a odražené světlo je vyhodnoceno senzorem. Chyby lze minimalizovat použitím polarizačních filtrů. Průhledné strečové fólie a plastové obaly mohou tyto senzory rušit. Snížení citlivosti senzoru může pomoci tyto problémy eliminovat. Nahrazení standardních infračervených zářičů lasery může navíc umožnit delší dosah snímání a vyšší rozlišení.

Výkonnost retroreflexního senzoru lze zlepšit použitím nižší než normální spínací hystereze. V těchto návrzích lze spolehlivě detekovat i minimální útlum světla mezi senzorem a reflektorem, způsobený například skleněnými lahvemi. Společnost SICK nabízí také monitorovací systém nazvaný AutoAdapt, který nepřetržitě reguluje a přizpůsobuje spínací práh v reakci na postupné hromadění nečistot, které by mohlo vést k selhání snímacího systému.

Senzory s průchozím paprskem

Na rozdíl od retroreflexních senzorů používají senzory s průchozím paprskem dvě aktivní zařízení: vysílač a přijímač. Snímání průchozím paprskem umožňuje větší dosah snímání. Nahrazením infračervených zářičů laserovými diodami lze snímací vzdálenost dále zvýšit při zachování vysokého rozlišení a přesného snímání.

Optické senzory

Optické senzory jsou variantou provedení s průchozím paprskem. U fotoelektrického optického senzoru jsou vysílač a přijímač umístěny v jednom pouzdru. Vysílač a přijímač používají samostatné optické kabely. Tyto senzory jsou zvláště vhodné pro použití v aplikacích s vysokými teplotami a v nebezpečných a drsných prostředích.

Pole fotoelektrických senzorů

Řada fotoelektrických senzorů RAY26 Reflex Array, jako je model 1221950, umožňuje spolehlivou detekci plochých předmětů a také rychlé uvedení do provozu. V kombinaci s reflektorem detekují fotoelektrické senzory také malé, ploché, průhledné nebo nerovné předměty o velikosti pouhých 3 mm. V rámci rovnoměrného světelného pole o výšce 55 mm detekují senzory přední hranu předmětu. To znamená, že lze spolehlivě detekovat i perforované předměty bez složitého přepínání (obrázek 4).

Obrázek 2: Pole fotoelektrických senzorů dokáže v poli o výšce 55 mm detekovat předměty o velikosti pouhých 3 mm. (Zdroj obrázku: společnost SICK)

Laserové senzory vzdálenosti

Konstruktéři aplikací, jako je monitorování hladiny ve skladovacích kontejnerech, detekce polohy předmětů na dopravnících, poloha osy XY v automatizovaných systémech vysokozdvižných vozíků, vertikální polohování jeřábů ve skladech a podvěsných dopravníků a monitorování průměru během navíjení cívek, mohou využít laserové senzory vzdálenosti DT50. Tyto senzory podporují měření založené na době průchodu („time-of-flight“, ToF) až do několika metrů pomocí odraženého laserového světla, které zajišťuje odolnost vůči okolnímu osvětlení a přesný a spolehlivý provoz.

Například model DT50-2B215252 má rozsah 200 až 30 000 mm a několik speciálních funkcí, včetně následujících:

• Odolné pouzdro s krytím IP65 a IP67
• Až 3 000 měření vzdálenosti za sekundu
• Minimální doba odezvy 0,83 ms
• Kompaktní pouzdro podporující řadu aplikací od průmyslových robotů až po měření výšky naplnění skladovacích kontejnerů

Měření ve vysokém rozlišení pomocí statistiky

Měření vzdálenosti s vysokým rozlišením („high-definition distance measurement plus“, HDDM+) je technologie měření s vysokým rozlišením založená na době průchodu, kterou lze použít v laserových senzorech vzdálenosti a senzorech světelné detekce a měření vzdálenosti („light detection and ranging“, LiDAR). Na rozdíl od technologií snímání s jedním impulzem nebo fázovou korelací je technologie HDDM+ statistickým procesem měření.

Software senzoru statisticky vyhodnocuje echa několika laserových impulzů, aby odfiltroval rušení ze zdrojů, jako jsou skleněné tabule, mlha, déšť, prach, sníh, listí, ploty a další předměty, a vypočítal vzdálenost k zamýšlenému cíli. Výsledné měření vzdálenosti může mít vysokou míru jistoty i v náročných okolních podmínkách (obrázek 5).

Obrázek 3: Software HDDM+ společnosti SICK používá proces statistického vyhodnocování k eliminaci „šumu“ způsobeného předměty, jako jsou skleněné tabule, mlha, déšť, prach, sníh, listí a ploty. (Zdroj obrázku: společnost SICK)

Mezi typické aplikace technologie HDDM+ patří měření vzdálenosti pro kontrolu kvality ve výrobě elektroniky, LiDAR detekce vícerozměrných předmětů a určování polohy ve strojírenství a výrobě zařízení a určování polohy průmyslových jeřábů nebo vozidel.

Dosah snímání senzorů HDDM+ je na retroreflexní pásce až 1,5 km. Například model DT1000-S11101 má dosah až 460 m s typickou přesností měření ±15 mm pro přírodní předměty a nastavitelným rozlišením od 0,001 do 100 mm.

Induktivní senzory

Induktivní senzory přiblížení, jako např. řada IME společnosti SICK, dokáže detekovat železné a neželezné kovové předměty. Tyto senzory se skládají z rezonančního obvodu induktor-kondenzátor („inductor-capacitor“, LC), který generuje vysokofrekvenční střídavé elektromagnetické pole. Pole se ztlumí, když se do detekčního rozsahu dostane kovový předmět. Tlumení je detekováno obvodem pro vyhodnocení signálu a zesilovačem, který vytváří výstupní signál (obrázek 4).

Obrázek 4: Základní induktivní senzor přiblížení se skládá z obvodu LC, který vytváří střídavé pole, vyhodnocovače signálu a zesilovače. (Zdroj obrázku: společnost SICK)

Dvě důležité specifikace pro vzdálenost snímání několika technologií senzorů přiblížení jsou jmenovitá snímací vzdálenost („nominal sensing distance“, Sn) a zabezpečená snímací vzdálenost („secured sensing distance“, Sa). Sn nezohledňuje výrobní tolerance ani vnější vlivy, jako je provozní teplota. Sa zohledňuje jak výrobní tolerance, tak změny provozních podmínek. Sa je obvykle přibližně 81 % hodnoty Sn. Například u modelu IME08-02BPSZT0S induktivního senzoru je Sn 2 mm a Sa 1,62 mm.

Kapacitní snímání

Stejně jako induktivní senzory používají i kapacitní senzory přiblížení oscilátor. V tomto případě se používá otevřený kondenzátor, kde aktivní elektroda v senzoru vytváří elektrostatické pole vzhledem k zemi. Tyto senzory mohou detekovat přítomnost široké škály materiálů včetně kovových a nekovových předmětů.

Když předmět vstoupí do elektrostatického pole, amplituda kmitů v rezonančním obvodu se změní na základě dielektrických vlastností materiálu. Vyhodnocovač signálu tuto změnu detekuje a zesilovač vytváří výstupní signál (obrázek 5).

Obrázek 5: V kapacitním senzoru přiblížení vytváří oscilační obvod elektrostatické pole, které mění své vlastnosti, když do pole vstoupí snímaný cíl. (Zdroj obrázku: společnost SICK)

Stejně jako u induktivních senzorů přiblížení existuje několik specifikací týkajících se snímací vzdálenosti kapacitních senzorů přiblížení včetně Sn, Sa a redukčního faktoru. Například model CM12-08EBP-KC1 má Sn 8 mm a jmenovitou hodnotu Sa 5,76 mm.

Snímaný předmět musí být alespoň tak velký jako čelní plocha senzoru a snímací vzdálenost se mění podle redukčního faktoru materiálu. Redukční faktory souvisejí s dielektrickou konstantou materiálu a mohou se pohybovat od 1 pro kovy a vodu do 0,4 pro polyvinylchlorid (PVC), 0,6 pro sklo a 0,5 pro keramiku.

Magnetické senzory

Magnetické senzory přiblížení reagují na přítomnost magnetu. Magnetické senzory přiblížení od společnosti SICK používají dvě detekční technologie:

• Giant magnetorezistivní („giant magneto resistive“, GMR) senzory jsou založeny na rezistorech, které mění svou hodnotu v přítomnosti magnetického pole. K detekci změny odporu a vytvoření výstupního signálu se používá Wheatstoneův můstek. Válcové senzory MZT7, jako je model MZT7-03VPS-KP0 určený pro použití s válci s T-drážkou, využívají technologii GMR k detekci polohy pístu v pneumatických pohonech a v podobných aplikacích.
• Technologie LC využívá rezonanční obvod, který rezonuje s malou amplitudou. Pokud se přiblíží vnější magnetické pole, rezonanční amplituda se zvýší. Toto zvýšení je detekováno vyhodnocovačem signálu a výstupní signál je generován zesilovačem (obrázek 6). Model MM08-60APO-ZUA má Sn 60 mm a Sa 48,6 mm.

Obrázek 6: V magnetickém senzoru přiblížení může sonda pole používat technologii GMR nebo LC. (Zdroj obrázku: společnost SICK)

Ultrazvukové senzory

Pro předměty vzdálené až 8 m mohou konstruktéři využít ultrazvukové senzory, jako je např. řada UM30 od společnosti SICK. Tyto senzory mají integrovanou teplotní kompenzaci pro zvýšení přesnosti měření a poskytují detekci předmětů nezávisle na barvě, odolnost vůči prachu a provoz až do +70 °C. Měří vzdálenosti na základě technologie doby průchodu, kde se vzdálenost rovná rychlosti zvuku vynásobené celkovou akustickou dobou průchodu (t₂), přičemž celkový součet se dělí 2 (obrázek 6).

Obrázek 7: Ultrazvukové senzory mohou měřit vzdálenost na základě celkové doby průchodu (t₂) zvukových vln. (Zdroj obrázku: společnost SICK)

Ultrazvukové senzory jako model UM30-212111 jsou vhodné pro aplikace, jako je monitorování prázdných přepravek. Vnitřní monitor teploty poskytuje přesnost měření ±1 %. Tyto barevně nezávislé senzory dokáží detekovat těžko rozlišitelné předměty i při přítomnosti nečistot a prachu.

Závěr

Dobrou zprávou je, že existuje široká škála možností volby technologie senzorů přiblížení a vzdálenosti. To znamená, že pro každý požadavek aplikace existuje řešení. Výzvou je roztřídit mnoho možností a najít optimální řešení pro detekci konkrétních materiálů za skutečných podmínek použití a provozu.