Alegerea opțiunilor tehnologice privind senzorii de proximitate și de distanță

Utilizarea senzorilor de proximitate și de distanță pentru a detecta prezența și localizarea elementelor fără contact fizic poate fi un aspect important pentru controlul proceselor industriale, cum ar fi manipularea materialelor, utilajele agricole, operațiunile de fabricare și asamblare și ambalarea alimentelor, băuturilor și produselor farmaceutice.

Acești senzori sunt disponibili cu o varietate de tehnologii, inclusiv fotoelectrice, laser, inductive, capacitive, magnetice și cu ultrasunete. Atunci când se determină cea mai bună alegere pentru o anumită aplicație, trebuie luați în considerare factori precum raza de acțiune, dimensiunea, precizia, sensibilitatea, rezoluția și costul.

Un factor cheie în multe aplicații este materialul obiectului care urmează să fie detectat. Unii senzori au comportamente diferite în cazul suprafețelor dure față de cele fibroase, iar alți senzori pot fi afectați de culoarea sau reflectivitatea obiectului.

Acest articol trece în revistă tehnologiile senzorilor de proximitate fără contact disponibile în mod obișnuit, analizând modul de funcționare al acestora, caracteristicile lor de performanță de bază și exemplele de senzori de la SICK, împreună cu unele aplicații preconizate.

Senzorii fotoelectrici

Senzorii fotoelectrici, precum senzorii fotoelectrici de proximitate W10 de la SICK, sunt ușor de utilizat și de instalat și sunt disponibili cu o varietate de caracteristici potrivite pentru numeroase aplicații. Designul robust al senzorilor W10 îi face potriviți pentru detectarea precisă a obiectelor în medii dificile. Ecranul tactil integrat accelerează setarea parametrilor și instalarea senzorilor (Figura 1).

Figura 1: Ecranul tactil de pe acești senzori fotoelectrici poate accelera punerea în funcțiune și implementarea. (Sursa imaginii: SICK)

Instrucțiunile integrate disponibile permit proiectanților să adapteze acești senzori la cerințele specifice ale aplicațiilor. În plus, funcțiile integrate precum setările de viteză, modurile de măsurare standard și de precizie și suprimarea prim-planului și a fundalului înseamnă că un singur senzor poate fi utilizat într-o gamă variată de aplicații. Seria de senzori include patru variante, care diferă în ceea ce privește distanțele de operare și opțiunile de montare.

Suprimarea fundalului

Senzorii de proximitate fotoelectrici cu suprimarea fundalului (BGS) utilizează triangulația între elementele de emisie și de recepție. Semnalele de la obiectele aflate în spatele razei de detecție setate sunt suprimate. În plus, tehnologia BGS de la SICK ignoră obiectele foarte reflectorizante din fundal și poate face față condițiilor dificile de iluminare ambientală.

Eliminarea fundalului este utilă în special atunci când obiectul țintă și fundalul (cum ar fi o bandă transportoare) au o reflexie similară sau dacă reflexia fundalului este variabilă și poate cauza interferențe cu detecția.

Suprimarea prim-planului

Senzorii fotoelectrici de proximitate cu suprimarea prim-planului (FGS) pot detecta obiecte la o distanță definită. Sunt detectate toate obiectele aflate între senzor și distanța de detectare (setată la fundal). Pentru a asigura o detectare sigură, fundalul trebuie să fie relativ luminos și nu trebuie să varieze în înălțime.

Atunci când obiectele se află pe o suprafață reflectorizantă, cum ar fi o bandă transportoare albă sau deschisă la culoare, suprimarea prim-planului poate îmbunătăți detecția. În loc să detecteze lumina reflectată de obiect, senzorul detectează obiectul prin absența luminii reflectate de banda transportoare.

Retro-reflectorizant

Într-un senzor retro-reflectorizant, lumina emisă lovește un reflector, iar lumina reflectată este evaluată de senzor. Erorile pot fi minimizate prin utilizarea filtrelor polarizante. Foliile de plastic și ambalajele din plastic transparente pot interfera cu acești senzori. Reducerea sensibilității senzorului poate ajuta la depășirea acestor provocări. În plus, înlocuirea emițătorilor standard de lumină IR cu lasere poate permite raze de detecție mai lungi și o rezoluție mai mare.

Performanța senzorului retro-reflectorizant poate fi îmbunătățită utilizând un histerezis de comutare mai mic decât cel normal. În aceste modele, chiar și atenuarea minimă a luminii între senzor și reflector, de exemplu, cauzată de recipientele de sticlă, poate fi detectată cu siguranță. De asemenea, SICK oferă un sistem de monitorizare numit AutoAdapt care reglează și adaptează continuu pragul de comutare ca răspuns la acumularea treptată de contaminare care ar putea duce la defectarea sistemului de detectare.

Fascicul traversant

Spre deosebire de senzorii retro-reflectorizanți, senzorii cu fascicul traversant utilizează două dispozitive active: un emițător și un receptor. Detecția prin fascicul traversant permite distanțe de detecție mai mari. Înlocuirea emițătoarelor IR cu diode laser poate crește și mai mult distanța de detecție, menținând în același timp rezoluția ridicată și detecția precisă.

Fibră optică

Senzorii cu fibră optică sunt o variație a modelelor cu fascicul traversant. Într-un senzor fotoelectric cu fibră optică, emițătorul și receptorul sunt capsulate într-o singură carcasă. Emițătorul și receptorul utilizează cabluri de fibră optică separate. Acești senzori sunt potriviți în special pentru utilizarea în aplicații la temperaturi ridicate și în medii periculoase și dure.

Rețele de senzori fotoelectrici

Familia de rețele de senzori fotoelectrici RAY26, precum modelul 1221950, permite detectarea sigură a obiectelor plate, precum și punerea rapidă în funcțiune. Atunci când sunt combinați cu un reflector, senzorii fotoelectrici detectează și obiecte mici, plate, transparente sau neuniforme, cu dimensiuni de până la 3 mm. În cadrul unei rețele luminoase uniforme cu înălțime de 55 mm, senzorii detectează marginea de început a obiectului. Acest lucru înseamnă că și obiectele perforate pot fi detectate în mod sigur fără comutare complexă (Figura 4).

Figura 2: Rețelele de senzori fotoelectrici pot detecta obiecte de până la 3 mm într-un câmp de 55 mm înălțime. (Sursa imaginii: SICK)

Senzori laser de distanță

Proiectanții de aplicații precum monitorizarea nivelului în containerele de depozitare, detectarea poziției obiectelor pe transportoare, poziția XY a axei în sistemele automate de stivuitoare, poziționarea verticală a macaralelor în depozite și transportoare aeriene și monitorizarea diametrului în timpul bobinării pot utiliza senzorii laser de distanță DT50. Acești senzori oferă măsurători ale distanței timpului de zbor (ToF) de până la câțiva metri utilizând lumina laser reflectată pentru a oferi imunitate la iluminarea ambientală, precum și o funcționare precisă și fiabilă.

De exemplu, DT50-2B215252 are o gamă de 200 până la 30.000 mm și mai multe caracteristici speciale, inclusiv:

• Carcasă robustă cu un grad de protecție IP65 și IP67
• Poate furniza până la 3.000 de măsurători ale distanței pe secundă
• Timp minim de răspuns de 0,83 ms
• Carcasa compactă suportă o gamă largă de aplicații, de la roboți industriali la măsurarea înălțimii de umplere a containerelor de depozitare

Măsurători de înaltă rezoluție utilizând statistici

Măsurarea distanței de înaltă definiție plus (HDDM+) este o tehnologie de măsurare ToF de înaltă rezoluție care poate fi utilizată în senzori laser de distanță și senzori LiDAR (detectare și telemetrie cu laser). Spre deosebire de tehnologiile de detectare cu impuls unic sau corelație de fază, HDDM+ este un proces de măsurare statistică.

Software-ul senzorului evaluează statistic ecourile mai multor impulsuri laser pentru a filtra interferențele din surse precum geamuri, ceață, ploaie, praf, zăpadă, frunze, garduri și alte obiecte, pentru a calcula distanța până la ținta dorită. Măsurarea distanței rezultate poate avea un nivel ridicat de certitudine chiar și în condiții ambiante dificile (Figura 5).

Figura 3: Software-ul HDDM+ de la SICK utilizează un proces de evaluare statistică pentru a elimina „zgomotul” provenit de la elemente precum geamuri, ceață, ploaie, praf, zăpadă, frunze și garduri. (Sursa imaginii: SICK)

Aplicațiile tipice pentru tehnologia HDDM+ includ măsurarea distanței pentru controlul calității în producția de electronice, detectarea multidimensională a obiectelor LiDAR și determinarea poziției în ingineria mecanică și a instalațiilor, precum și determinarea poziției macaralelor sau a vehiculelor industriale.

Raza de detecție a senzorilor HDDM+ este de până la 1,5 km pe bandă retro-reflectorizantă. De exemplu, modelul DT1000-S11101 are o rază de acțiune de până la 460 m, cu o precizie de măsurare tipică de ±15 mm pentru obiecte naturale și o rezoluție reglabilă de la 0,001 la 100 mm.

Inductiv

Senzorii de proximitate inductivi, precum cei din seria IME de la SICK pot detecta obiecte metalice feroase și neferoase. Acești senzori constau într-un circuit rezonant cu inductor-condensator (LC) care generează un câmp electromagnetic alternativ de înaltă frecvență. Câmpul este atenuat atunci când un obiect metalic intră în raza de detecție. Amortizarea este detectată de circuitul de evaluare a semnalului și de un amplificator care produce semnalul de ieșire (Figura 4).

Figura 4: Un senzor de proximitate inductiv de bază constă dintr-un circuit LC care produce un câmp alternativ, un evaluator de semnal și un amplificator. (Sursa imaginii: SICK)

Două specificații importante pentru distanța de detectare a mai multor tehnologii de senzori de proximitate sunt distanța de detectare nominală (Sn) și distanța de detectare securizată (Sa). Sn nu ia în considerare toleranțele de fabricație sau influențele externe, cum ar fi temperatura de funcționare. Sa ia în considerare atât toleranțele de fabricație, cât și variațiile condițiilor de funcționare. De obicei, Sa este aproximativ 81% din valoarea Sn. De exemplu, pentru modelul de senzor inductiv IME08-02BPSZT0S, Sn este 2 mm și Sa este 1,62 mm.

Detecție capacitivă

Ca și senzorii inductivi, senzorii capacitivi de proximitate utilizează un oscilator. În acest caz, se utilizează un condensator deschis în care electrodul activ din senzor produce un câmp electrostatic în raport cu masa. Acești senzori pot detecta prezența unei game largi de materiale, inclusiv obiecte metalice și nemetalice.

Atunci când un obiect intră în câmpul electrostatic, amplitudinea oscilațiilor în circuitul rezonant se modifică în funcție de proprietățile dielectrice ale materialului. Evaluatorul de semnal detectează modificarea, iar un amplificator produce semnalul de ieșire (Figura 5).

Figura 5: Într-un senzor de proximitate capacitiv, un circuit oscilant produce un câmp electrostatic care își schimbă caracteristicile atunci când ținta care trebuie detectată intră în câmp. (Sursa imaginii: SICK)

La fel ca senzorii de proximitate inductivi, există mai multe specificații legate de distanța de detectare a senzorilor de proximitate capacitivi, inclusiv Sn, Sa și un factor de reducere. De exemplu, modelul CM12-08EBP-KC1 are un Sn de 8 mm și un Sa nominal de 5,76 mm.

Obiectul care urmează să fie detectat trebuie să fie cel puțin la fel de mare ca fața senzorului, iar distanța de detectare variază în funcție de factorul de reducere al materialului. Factorii de reducere sunt legați de constanta dielectrică a materialului și pot varia de la 1 pentru metale și apă la 0,4 pentru policlorura de vinil (PVC), 0,6 pentru sticlă și 0,5 pentru ceramică.

Magnetic

Senzorii magnetici de proximitate răspund la prezența unui magnet. Senzorii magnetici de proximitate de la SICK utilizează două tehnologii de detecție:

• Senzorii magnetorezistivi giganți (GMR) se bazează pe rezistoare care își schimbă valoarea în prezența unui câmp magnetic. O punte Wheatstone este utilizată pentru a detecta modificarea rezistenței și pentru a produce un semnal de ieșire. Senzorii pentru cilindri MZT7, precum MZT7-03VPS-KP0 proiectat pentru utilizarea cu cilindri cu fantă în T, utilizează tehnologia GMR pentru a detecta poziționarea pistonului în acționările pneumatice și în aplicații similare.
• Tehnologia LC utilizează un circuit rezonant care rezonează cu o amplitudine mică. Dacă se apropie un câmp magnetic extern, amplitudinea rezonantă crește. Creșterea este detectată de un evaluator de semnal și un amplificator produce semnalul de ieșire (Figura 6). MM08-60APO-ZUA are un Sn de 60 mm și un Sa de 48,6 mm.

Figura 6: Într-un senzor magnetic de proximitate, sonda de câmp poate utiliza tehnologia GMR sau LC. (Sursa imaginii: SICK)

Senzori cu ultrasunete

Pentru obiecte aflate la o distanță de până la 8 m, proiectanții pot utiliza senzori cu ultrasunete precum familia UM30 de la SICK. Acești senzori au compensare integrată a temperaturii pentru a îmbunătăți precizia măsurătorilor și asigură detectarea obiectelor independent de culoare, imunitate la praf și funcționare până la +70 °C. Măsoară distanțele pe baza tehnologiei timpului de zbor, în care distanța este egală cu viteza sunetului înmulțită cu timpul acustic total de zbor (t₂), totalul fiind împărțit la 2 (Figura 6).

Figura 7: Senzorii cu ultrasunete pot măsura distanța pe baza timpului total de zbor (t₂) al undelor sonore. (Sursa imaginii: SICK)

Senzorii cu ultrasunete precum modelul UM30-212111 sunt potriviți pentru aplicații precum monitorizarea containerelor goale. Un monitor intern de temperatură produce o precizie de măsurare de ±1 %. Acești senzori independenți de culoare pot detecta obiecte greu de distins chiar și în prezența murdăriei și a prafului.

Concluzie

Vestea bună este că există o gamă largă de opțiuni pentru tehnologia senzorilor de proximitate și distanță. Asta înseamnă că există o soluție pentru fiecare cerință a aplicației. Provocarea constă în sortarea numeroaselor opțiuni și găsirea soluției optime pentru detectarea materialelor specifice în condiții reale de aplicare și funcționare.