سنسورهای فوتوالکتریک، با تکیه بر خواص پرتوهای نور، به منظور شناسایی و تشخیص، حضور اجسام، تغییرات در شرایط سطح جسم و موقعیت اجسام طراحی می‌شوند.
سنسور فوتوالکتریک به طور معمول از یک امیتر (Emitter) جهت تابش نور و یک گیرنده برای دریافت نور تشکیل شده است. زمانی که نور تابش شده از امیتر توسط یک شئ منعکس و یا قطع می‌گردد، میزان نوری که توسط گیرنده دریافت می‌شود تغییر خواهد کرد. در گام بعدی گیرنده پس از تشخیص میزان تغییرات، آن را به عنوان یک خروجی الکتریکی معرفی خواهد کرد. منبع نور مورد استفاده در اکثر سنسورهای فوتوالکتریک، نور مادون قرمز و یا نور مرئی است (به طور کلی قرمز یا سبز و یا آبی جهت شناسایی رنگ‌ها).
سنسورهای فوتوالکتریک، بدین شکل طبقه‌بندی خواهند شد:
سنسور پرتوی کامل (Through Beam)
سنسورهای بازتاب یکپارچه (Retro-reflective Sensors)
سنسورهای بازتابی – پراکنده ( منتشر کننده )
ویژگی‌ها
تشخیص فواصل طولانی
به عنوان مثال، سنسور Through beam می‌تواند اجسامی را در فاصله بیش از 10 متر تشخیص دهد. که این امر با استفاده از روش‌های سنجش مغناطیسی، اولتراسونیک یا دیگر روش‌ها تقریبا غیرممکن خواهد بود.
عدم محدودیت در تشخیص اشیاء
عملکرد سنسورهای فوتوالکتریک بر این اصل که یک شی نور را قطع یا منعکس می‌کند استوار است، بنابراین مانند سنسورهای مجاورتی (Proximity Sensors) به تشخیص اجسام فلزی محدود نخواهد شد. به بیان دیگر میتوان از سنسورهای فوتوالکتریک جهت تشخیص تقریبا هر شئ، از جمله شیشه، پلاستیک، چوب و مایعات استفاده کرد.
پاسخگویی سریع
زمان پاسخگویی این سنسورها بسیار سریع است، زیرا نور با سرعت زیادی حرکت می‌کند و از طرف دیگر سنسور نیاز به انجام هیچگونه عملیات مکانیکی نخواهد داشت، زیرا همه مدارها از قطعات الکترونیکی تشکیل شده اند.
رزولوشن بالا
استفاده سنسورهای فوتوالکتریک از فناوری‌های طراحی پیشرفته سبب ایجاد رزولوشن فوق العاده بالا خواهد بود، که یک پرتو نقطه‌ای بسیار کوچک و یک سیستم نوری منحصر به فرد جهت دریافت نور ایجاد خواهد کرد. این پیشرفت‌ها امکان تشخیص اجسام بسیار کوچک و همچنین تشخیص موقعیت دقیق را فراهم می‌کند.
تشخیص بدون تماس
این سنسورها قادر به تشخیص اشیاء بدون نیاز به تماس فیزیکی با شئ مورد نظر هستند، بنابراین شانس کمی برای آسیب رساندن به اشیاء یا خود سنسورها وجود خواهد داشت. این امر سالها خدمات سنسور را تضمین خواهد کرد.
شناسایی رنگ
میزان بازتاب یا جذب نور توسط یک جسم بستگی به طول موج نور ساطع شده و رنگ جسم دارد. به این ترتیب از این ویژگی می توان جهت تشخیص رنگ شئ استفاده کرد.
تنظیمات آسان
قرار دادن پرتو بر روی یک جسم با مدل‌هایی که نور مرئی از خود ساطع می‌کنند بسیار ساده است زیرا پرتو قابل مشاهده است.
اصول عملکرد : 1. خواص نور
انتشار مستقیم
هنگامی که نور از میان هوا یا آب عبور می‌کند، همواره در یک خط مستقیم حرکت می کند.شکاف بیرونی سنسور Through beam که برای تشخیص اجسام کوچک استفاده می شود نمونه‌ای از نحوه استفاده از این اصل در کاربردهای عملی است.
شکست
با عبور نور از مرز دو محیط مختلف با ضرایب شکست متفاوت پدیده انحراف نور که با نام انکسار نیز شناخته می‌شود، رخ می‌دهد.
بازتاب (بازتاب منظم، آیینه‌ای و بازتاب پراکنده)
یک سطح صاف، مانند شیشه و یا آینه، نور را با زاویه‌ای برابر با زاویه برخورد نور منعکس خواهد کرد، این نوع بازتاب با نام بازتاب منظم شناخته می‌شود. بازتابنده گوشه‌ای با فراهم کردن سه سطح صاف عمود بر هم از این اصل استفاده می‌کند. نوری که به طرف یک بازتابنده گوشه‌ای ارسال می‌شود بارها به صورت بازتاب‌های منظم منتشر خواهد شد و نور منعکس شده در نهایت مستقیماً به سمت نور ساطع شده حرکت خواهد کرد. این پدیده با نام بازتاب مجدد یا آیینه‌ای شناخته می‌شود. پدیده بازتاب مجدد عمدتا در مکعب‌های گوشه‌ای مشاهده خواهد شد.
سطوح مات مانند کاغذ سفید، نور را در همه جهات منعکس می‌کنند، پراکندگی نور در هنگام بازتاب با نام بازتاب پراکنده معرفی می‌شود. سنسورهای Diffuse-reflective Sensors بر اساس این اصل طراحی خواهد شد.
قطبش نور
نور را میتوان به صورت موجی نمایش داد که به صورت افقی و عمودی نوسان می‌کند. سنسورهای فوتوالکتریک تقریباً همواره از LED ها به عنوان منبع نور استفاده می‌کنند. نوری که از LED ها ساطع می‌شود در جهت عمودی و افقی نوسان می‌کند از این رو به با نام نور غیر قطبی شناخته می‌شود. با استفاده از فیلترهای قطبی میتوان نوسانات نور غیر قطبی را تنها به یک جهت محدود کرد. از این رو عبور نور LED از یک فیلتر قطبی کننده نور سبب نوسان نور تنها در یک جهت خواهد شد، بنابراین نور قطبی خطی پدید خواهد آمد. برای مثال، نور قطبی شده که در یک جهت در حال نوسان است (مثلاً جهت عمودی) نمی‌تواند از یک فیلتر قطبی کننده که نوسانات را در جهت عمود بر جهت نوسان (جهت افقی) محدود می‌کند عبور کند. عملکرد MSR در سنسورهای Retro-reflective و فیلتر حفاظت از تداخل متقابل در سنسورهای Through beam بر اساس این اصل عمل می‌کند.
اصول عملکرد : 2. منابع نور
نور مدولاسیون پالس
سنسورهای فوتوالکتریک عمدتا از نور مدوله شده پالس استفاده می‌کنند، که در فواصل زمانی معین نور را به صورت مکرر ساطع می‌کند. این سیستم به راحتی می‌تواند اثرات تداخل نورهای خارجی را برطرف کند از این رو تشخیص و شناسایی اجسام در فاصله‌های زیاد به راحتی امکان پذیر خواهد بود. در مدل‌های مجهز به حفاظت از تداخل متقابل، چرخه انتشار در محدوده مشخص، جهت کنترل نور منسجم و تداخل نور خارجی متفاوت است.
نور مدوله نشده
نور بدون مدولاسیون به پرتوی بی وقفه نور با شدت خاصی اشاره دارد که با انواع خاصی از سنسورها مانند سنسورهای مارک (Mark Sensors) استفاده خواهد شد. اگرچه این سنسورها زمان پاسخگویی کوتاهی دارند، اما از جمله معایب آنها میتوان به فاصله تشخیص کوتاه و حساسیت به تداخل نور خارجی اشاره کرد.
رنگ و نوع منبع نور
اصول عملکرد : 3. تکنیک مثلث سازی
عملکرد سنسورهای قابل تنظیم از راه دور عموماً بر اساس اصل مثلث‌سازی استوار است. جزییات این اصل در نمودار زیر ارائه شده است.
پس برخورد نور تولید شده توسط امیتر بر جسم، بازتاب نور به صورت پراکنده منعکس شده است. لنز گیرنده نور منعکس شده را بر روی آشکارساز موقعیت (یک نیمه هادی که سیگنالی را با توجه به محل برخورد نور به آن، به عنوان خروجی ارئه می‌دهد.) متمرکز می‌کند. به این ترتیب هنگامی که جسم در موقعیت A در نزدیکی سیستم نوری قرار دارد، نور در نقطه a روی آشکار ساز متمرکز خواهد شد. و در صورتی که موقعیت شئ در نقطه B (دور از سیستم نوری) باشد، نور در نقطه b روی آشکار ساز متمرکز خواهد شد.
طبقه بندی بر اساس روش تشخیص
سنسورهای Through beam
در سنسورهای Through beam امیتر و گیرنده کاملا روبروی یکدیگر نصب خواهند شد، به ترتیبی که نور خروجی از امیتر مستقیما وارد گیرنده شود. بنابراین با قرار گرفتن شیء میان امیتر و گیرنده، نور ساطع شده توسط امیتر قطع خواهد شد و میزان نور ورودی به گیرنده کاهش می‌یابد. این کاهش شدت نور جهت تشخیص یک جسم استفاده می شود.
همچنین برخی از مدل‌ها مانند سنسور Slot Sensors از یک امیتر و گیرنده یکپارچه و روش تشخیص مشابه استفاده می‌کند.
ویژگی سنسورهای Through beam
عملکرد پایدار سنسور و فواصل تشخیص طولانی از چند سانتی‌متر تا چند ده متر
موقعیت سنسور تحت تأثیر تغییرات مسیر شیء قرار نمی‌گیرد.
عملکرد سنسور نسبت به صافی، رنگ و یا شیب شئ حساسیت چندانی ندارد.
2. سنسورهای بازتابی – پراکنده ( diffuse-reflective )
در سنسورهای diffuse reflective امیتر و فرستنده هر دو در یک محفظه نصب خواهند شد و نور معمولا به گیرنده باز نخواهد گشت. هنگامی که نور امیتر به جسم برخورد می‌کند، جسم نور را منعکس کرده و بخشی از آن وارد گیرنده خواهد شد که در آن شدت نور افزایش می‌یابد. این افزایش شدت نور جهت تشخیص جسم مورد استفاده قرار می گیرد.
ویژگی سنسورهای diffuse reflective
فاصله تشخیص بین چند سانتی‌متر تا چند متر متغیر است.
قابلیت نصب آسان
شدت نور منعکس شده، ثبات عملکرد و فاصله تشخیص نسبت به شرایط سطح جسم
(به عنوان مثال، رنگ و صافی) تغییر خواهد کرد.
3. سنسور بازتابی یکپارچه Retro reflective Sensors
در سنسورهای بازتاب یکپارچه امیتر و گیرنده در یک محفظه نصب خواهند شد و نور امیتر به طور معمول توسط یک بازتابنده که در سمت مقابل نصب شده است به گیرنده باز می‌گردد. با قرار گرفتن شئ مقابل بازتابنده، نور ورودی به گیرنده قطع خواهد شد و میزان نور دریافتی کاهش می‌یابد. این کاهش شدت نور جهت تشخیص جسم مورد استفاده قرار می گیرد.
ویژگی سنسورهای Retro reflective
فاصله سنجش از چند سانتی متر تا چند متر متغیر است.
سیم کشی ساده و تنظیم محور نوری (صرفه جویی در نیروی کار).
عملکرد سنسور معمولا تحت تأثیر رنگ یا زاویه اجسام قرار نمی‌گیرد.
نور دو بار از جسم عبور می کند که این ویژگی این سنسور را جهت تشخیص اجسام شفاف مناسب می‌کند.
( تشخیص اجسام با روکش آینه‌ای معمولا با مشکل همراه خواهد بود، زیرا میزان نور منعکس شده به گیرنده از چنین سطوح براقی سبب می‌شود سنسور وجود هیچ شئ را در محل تشخیص ندهد. این مشکل را می توان با استفاده از تابع MSR برطرف کرد.)
سنسورهای Retro reflective، در فواصل نزدیک دارای منطقه مرده (dead zone) خواهند بود.
4. سنسورهای قابل تنظیم از راه دور (Distance-settable Sensors)
گیرنده در سنسورهای قابل تنظیم از راه دور شامل یک دیود نوری دو قسمتی و یا یک آشکارساز موقعیت است. نور منعکس شده از جسم روی گیرنده متمرکز خواهد شد. تشخیص اجسام بر اساس اصل مثلث سازی استوار است، در نتیجه محل متمرکز شدن پرتو به فاصله شئ تا گیرنده و امیتر وابسته خواهد بود.
در شکل زیر یک سیستم تشخیص نمایش داده شده است، که از یک دیود نوری دو قسمتی استفاده می کند. انتهای دیود نوری نزدیک به جسم، با نام انتهای N (Near) و انتهای دیگر با نام انتهای F (Far) شناخته می‌شود. زمانیکه که شئ مورد نظر در موقعیت از پیش تعیین شده قرار می‌گیرد، نور منعکس شده در میانه راه بین انتهای N و انتهای F متمرکز خواهد شد و دیودهای نوری در هر دو انتها مقدار مساوی نور را دریافت خواهند کرد. این درحالی است که اگر شئ در فاصلهای کمتر از فاصله از پیش تعیین شده قرار گیرد، نور منعکس شده در انتهای N متمرکز خواهد شد. به همین ترتیب اگر شئ در فاصلهای بیشتر از فاصله از پیش تعیین شده قرار گیرد، نور منعکس شده در انتهای F متمرکز خواهد شد. سنسور با محاسبه تفاوت بین شدت نور در دو انتهای N و F ، موقعیت جسم را تعیین خواهد کرد.
ویژگی سنسورهای قابل تنظیم از راه دور
عملکرد سنسور و تشخیص تحت تاثیر شرایط سطح و یا رنگ قرار نمی‌گیرد.
عملکرد سنسور تا حد زیادی تحت تأثیر محیط پس زمینه قرار نخواهد گرفت.
نادیده گرفتن پس زمینه و پیش زمینه (BGS (Background Suppression) and FGS (Foreground Suppression))در زمان استفاده از مدل‌های E3Z-LS61 ، E3Z-LS66 ، E3Z-LS81 یا E3Z-LS86 ، جهت تشخیص اجسام روی یک تسمه نقاله، میتوان عملکرد BGS یا FGS را انتخاب کرد.
انتخاب عملکرد BGS مانع از تشخیص هرگونه شئ پس زمینه (یعنی نقاله) فراتر از فاصله تعیین شده خواهد شد و انتخاب عملکرد FGS از تشخیص اجسام نزدیک‌تر از فاصله تعیین شده یا اجسامی که کمتر از مقدار مشخصی از نور را به گیرنده منعکس می‌کنند جلوگیری می‌کند.
از جمله اجسامی که کمتر از مقدار مشخصی از نور بازتاب می‌کنند میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
- اجسام با انعکاس بسیار کم و اجسام تیره تر از کاغذ سیاه.
- اجسام مانند آینه که تقریباً تمام نور را به امیتر باز می‌گردانند.
- سطوح ناهموار و براق که نور زیادی را منعکس می‌کنند، اما نور را در جهت‌های تصادفی پراکنده خواهند کرد.
ممکن است نور منعکس شده به صورت لحظهای در مورد 3 به دلیل تشخیص حرکت اجسام، به گیرنده بازگردد. در این صورت، جهت جلوگیری از فعال شدن آلارم، از تایمرهای تاخیری OFF و یا ابزارهای دیگر استفاده خواهد شد.
ویژگی‌ها
قابلیت تشخیص اختلافات ارتفاع کوچک (BGS و FGS).
اثرات تشخیص رنگ شی (BGS و FGS) به حداقل خواهد رسید.
آثار اجسام پس زمینه به حداقل می رسد (BGS).
تشخیص بی نظمی شئ ممکن است بر عملکرد (BGS و FGS) تأثیر بگذارد.
5. سنسورهای بازتابنده محدود (Limited-reflective Sensors)
در سنسورهای Limited-reflective، مشابه با عملکرد سنسورهای Diffuse-reflective جهت تشخیص جسم، نور منعکس شده از جسم توسط سنسور دریافت خواهد شد. سیستم نوری میزان انتشار و دریافت نور را محدود خواهد کرد، بنابراین تنها اجسامی که در فاصله معین (ناحیه‌ای که نور ارسال شده توسط امیتر و دریافت نور بازتاب شده با یکدیگر همپوشانی دارند) از سنسور قرار دارند، برای سنسور قابل تشخیص هستند. برای مثال در شکل زیر، سنسور قادر به تشخیص جسم در موقعیت B نخواهد بود در حالی که جسم در موقعیت A را می‌تواند تشخیص دهد.
ویژگیهای سنسور Limited-reflective
تشخیص میزان اختلاف ناچیز در تغییرات ارتفاع
فاصله تشخیص سنسور را میتوان جهت شناسایی اشیاء در یک منطقه خاص محدود کرد.
عملکرد سنسور تحت تاثیر رنگ جسم قرار نمی‌گیرد.
عملكرد سنسور تا حد زيادی تحت تاثير براقی و يا شیب سطح شیء قرار خواهد گرفت.
نقاط بررسی در سنسورهای Through-beam و Retro-reflective
جسم
محیط
1. اندازه و شکل جسم
(ابعاد در جهات عمودی، افقی و ارتفاع)
2. شفافیت (مات، نیمه شفاف و شفاف)
3. سرعت V (متر بر ثانیه و یا واحد بر دقیقه)
دمای محیط
امکان ترشح آب، روغن و یا مواد شیمیایی
موارد تاثیر گذار دیگر بر عملکرد سنسور
سنسور
1. فاصله تشخیص ( فاصله تا جسم L)
2.محدودیت در اندازه و شکل
2.1. سنسور
2.2. بازتاب مجدد (در سنسورهای Retro-reflective)
3.نیاز به نصب در کنار هم
3.1. تعداد واحدها
3.2. محل و مکان نصب و راه اندازی
3.3. نیاز به نصب پلکانی (staggered mounting)
4.محدودیت‌های نصب (زاویه‌دار، … )
نقاط بررسی در سنسورهای Diffusion-reflective ،Distance-settable و Limited-reflective
جسم
محیط
1. اندازه و شکل جسم ( ابعاد در جهات عمودی، افقی و ارتفاع )
2.رنگ
3.جنس و مواد (فولاد، SUS، چوب، کاغذ و …)
4.شرایط سطح (دارای بافت و یا براق)
1.دمای محیط
2.امکان ترشح آب، روغن و یا مواد شیمیایی
3.موارد تاثیر گذار دیگر بر عملکرد سنسور
سنسور
1. فاصله تشخیص ( فاصله تا جسم L)
2.محدودیت در اندازه و شکل
2.1. سنسور
2.2. بازتاب مجدد (در سنسورهای Retro-reflective)
3.نیاز به نصب در کنار هم
3.1. تعداد واحدها
3.2. محل و مکان نصب و راه اندازی
3.3. نیاز به نصب پلکانی (staggered mounting)
4.محدودیت‌های نصب (زاویه‌دار، … )
زمینه
رنگ
جنس و مواد ( فولاد، SUS، چوب، کاغذ و …)
شرایط سطح (بافت ، براق و …)
پیکربندی سنسورهای فوتوالکترونیک
سنسورهای فوتوالکتریک به طور معمول شامل امیتر، گیرنده، تقویت کننده، کنترل کننده و منبع تغذیه هستند. سنسورها بر اساس نحوه پیکربندی اجزا، بدین شکل طبقه بندی خواهند شد:
سنسورهای دارای آمپلی فایر مجزا
سنسورهای Through-beam دارای یک امیتر و گیرنده مجزا هستند، این در حالی است که پیکربندی سنسورهای Reflective شامل یک امیتر و گیرنده یکپارچه است. به عبارت دیگر آمپلی فایر و کنترلر در یک واحد قرار دارند.
ویژگیهای سنسور دارای آمپلی فایر مجزا
- اندازه مناسب (کنار هم قرار گرفتن امیتر و گیرنده در یک واحد یکپارچه)
- در صورت نصب امیتر و گیرنده در یک فضای باریک، میزان حساسیت از راه دور قابل تنظیم خواهد بود.
- سیم حاوی سیگنال از واحد آمپلی فایر به سمت امیتر و گیرنده مستعد دریافت نویز است.
- از جمله مدل‌های معمول ( واحدهای آمپلی فایر ): E3NC, E3C-LDA و E3C
سنسورهای دارای آمپلی فایر داخلی
در این سنسورها همه اجزا به جز منبع تغذیه به صورت یکپارچه طراحی شده است (سنسورهای Through-beam به دو جزء امیتر متشکل از امیتر و گیرنده متشکل از گیرنده و آمپلی فایر و کنترلر تقسیم خواهند شد.). منبع تغذیه یک واحد مستقل است.
ویژگیهای سنسور دارای آمپلی فایر داخلی
- گیرنده، آمپلی فایر و کنترل کننده جهت رفع نیاز به سیم کشی جهت انتقال سیگنال، به صورت یکپارچه در یک واحد طراحی خواهند شد. این امر سبب کاهش حساسیت سنسور نسبت به نویز خواهد شد.
- این سنسورها به میزان سیم کشی کمتری نسبت به مدل سنسورهای دارای آمپلی فایر مجزا نیاز خواهند داشت.
- این سنسورها نسبت به مدل آمپلی فایر مجزا دارای ابعاد بزرگتری هستند، این در حالی است که برخی مدل‌های غیر قابل تنظیم به همان اندازه کوچک هستند.
- از جمله مدل‌های معمول : E3T, E3Z و E3S-C
3. سنسورهای دارای منبع تغذیه داخلی
در این سنسورها منبع تغذیه، گیرنده، امیتر به صورت یکپارچه در یک محفظه نصب شده اند.
ویژگیهای سنسور دارای منبع تغذیه داخلی
- این سنسورها میتوانند مستقیماً به منبع تغذیه تجاری، جهت ارائه یک خروجی کنترل شده بزرگ به طور مستقیم از گیرنده، متصل شوند.
- ابعاد این مدل بسیار بزرگتر از سنسورهای دیگر خواهد بود، زیرا امیتر و گیرنده دارای اجزای اضافی مانند ترانسفورماتور منبع تغذیه هستند.
- از جمله مدل‌های معمول : E3JK, E3G-M و E3JM
4. سنسورهای ناحیه
سنسورهای Area یک سنسور Through-beam است، که از یک جفت امیتر و گیرنده به همراه چندین پرتو تشکیل شده است. گستره تشخیص سنسور متناسب با کاربرد سنسور قابل تنظیم خواهد بود.
ویژگیهای سنسورهای ناحیه
- سنسورهای Area قادر بر تشخیص ناحیه وسیعی هستند.
- این سنسورها جهت تشخیص قطعات کوچک انتخاب ایده‌آلی هستند.
- از جمله مدل‌های معمول : F3W-E و F3W-D
