سنسورهای فتوالکتریک

سنسورهای فتوالکتریک

سنسورهای فتوالکتریک که عنوان لاتین آنها  Photoelectric Sensors است ، المان‌هایی غیر تماسی هستند که با استفاده از نور، وجود و یا عدم وجود شیئ را تشخیص می‌دهد. سنسورهای فتوالکتریک در اتوماسیون کارخانجات صنعتی بسیار پرکاربرد هستند.

از ویژگیهای سنسورهای فتوالکتریک می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:

• تشخیص اشیاء بدون تماس مستقیم با شیء
• تشخیص اشیاء با فاصله زیاد
• تشخیص اشیاء با ابعاد بسیار کوچک
• تشخیص اشیاء فارغ از نوع جنس آنها
• زمان پاسخگویی بسیار کم
• گرد و غبار، خاک و بروز لکه بر روی عملکرد این سنسورها تاثیر منفی خواهد داشت.

سنسورهای فتوالکتریک با توجه به متد تشخیص قطعه، در سه ساختار متفاوت تولید می‌شوند که عبارتند از:

• سنسورهای فتوالکتریک یکطرفه ساده (Diffuse Type)
• سنسورهای فتوالکتریک یکطرفه آینه‌دار (Diffuse Retro-Reflective Type)
• سنسورهای فتوالکتریک دو طرفه (Thru-Beam Type)

سنسورهای فتوالکتریک یکطرفه ساده (Diffuse Type)

در سنسورهای فتوالکتریک یکطرفه ساده، فرستنده یا منبع نور (Emitter) و گیرنده (Receiver) در داخل یک بدنه تعبیه شده‌اند.

در حالت عادی و زمانیکه هیچ قطعه‌ای در مقابل این نوع سنسور قرارندارد، نور تابیده شده توسط گیرنده دریافت نمی‌شود و به همین دلیل خروجی سنسور فعال نخواهد شد. اما پس از قرار گرفتن قطعه در مقابل سنسور، نور تابیده شده پس از برخورد به قطعه هدف، باز گشته و توسط گیرنده دریافت می‌شود. در این حالت خروجی سنسور فعال می‌شود.

سنسورهای فتوالکتریک نوری یکطرفه ساده، که فاصله تشخیص آنها قابل تنظیم هستند، از اصلی به نام سه گوشه‌سازی (Triangulation) استفاده می‌کنند.

در سنسورهای فتوالکتریک از فتودیودهای دو قسمتی (2-Part Photo Diode) و یا حسگر موقعیت (Position Detector) به عنوان گیرنده استفاده می‌شود.

با توجه به شکل زیر، چنانچه قطعه در فاصله تشخیص تنظیم شده سنسورهای فتوالکتریک قرار داشته باشد، بازتابش نور دقیقا در مرز بین قسمت N و F  فتودیود دریافت می‌شود.

حال چنانچه قطعه به فاصله نزدیکتری از سنسور انتقال یابد، بازتابش نور در سمت Near فتودیود و چنانچه قطعه در فاصله دورتری از سنسور قرار گیرد، بازتابش در قسمت Far فتودیود دریافت خواهد شد.

سنسورهای فتوالکتریک یکطرفه آینه‌دار (Diffuse Retro-Reflective Type)

درسنسورهای فتوالکتریک یکطرفه آینه‌دار، نظیر سنسورهای یکطرفه ساده، فرستنده و گیرنده در داخل یک بدنه تعبیه می‌شوند. نور تابیده شده از فرستنده سنسورهای فتوالکتریک ، به آینه‌ای که در سمت مخالف و روبروی سنسور قرار دارد، برخورد نموده و بازتابش آن توسط گیرنده دریافت می‌شود.

در این حالت انرژی نور دریافت شده توسط گیرنده بالا است. حال چنانچه یک قطعه بین سنسور و آینه قرار گیرد، نور توسط جسم بازتابیده شده و به همین دلیل سطح انرژی دریافتی توسط گیرنده کاهش می‌یابد و بدین ترتیب وجود قطعه تشخیص داده می‌شود.

لازم به ذکر است که یک منطقه مرده (Dead Zone) در فاصله نزدیک سنسورهای فتوالکتریک وجود دارد که چنانچه قطعه در آن منطقه قرار گیرد، سنسورهای فتوالکتریک نمی‌تواند آن را به درستی تشخیص دهد. همچنین چنانچه جسم بسیار شفافی، نظیر آینه، در مقابل این نوع سنسورها قرار گیرد، به علت بازتابش زیاد نور به سمت گیرنده، سنسور دچار خطا شده و قادر به تشخیص قطعه نخواهد بود.

در این گونه موارد باید از سنسورهای فتوالکتریک آینه‌دار که دارای قابلیت “حذف سطح آینه‌ای” یا به عبارتی Mirror Surface Rejection – MSR هستند، استفاده نمود. این کار با استفاده از فیلتر پلاریزه و آینه مخصوص صورت می‌گیرد.

در ابتدا نور ارسالی، با عبور از یک فیلتر پلاریزه (Polarized Filter)، به صورت افقی از سنسورهای فتوالکتریک خارج خواهد شد. نور پس از برخورد به آینه مخصوص، که دارای هرم‌های مثلثی است، از حالت افقی به حالت عمودی تغییر شکل می‌دهد و به سمت گیرنده بازمی‌گردد.

نور قبل از دریافت توسط گیرنده، از یک فیلتر پلاریزه عمودی عبور خواهد کرد و بدین ترتیب سنسور تشخیص خواهد داد که نور از آینه مخصوص بازتابیده است. حال چنانچه نور از یک جسم بسیار شفاف، به سمت سنسورهای فتوالکتریک بازتابیده شود، به دلیل افقی بودن پرتوهای نور، امکان عبور از فیلتر پلاریزه عمودی را نداشته و توسط گیرنده دریافت نخواهد شد و بدین ترتیب سنسور وجود جسم را تشخیص می‌دهد.

در شکل زیر، فرآیند ارسال نور با موج افقی، تبدیل راستای نور و دریافت نور با موج عمودی نمایش داده شده است.

سنسورهای فتوالکتریک دو طرفه (Thru-Beam Type)

درسنسورهای فتوالکتریک دوطرفه، که روبروی هم نصب می‌شوند،  یک سنسور به عنوان فرستنده و سنسور دیگر به عنوان گیرنده عمل می‌کند. در زمان عدم وجود قطعه، نور ارسالی از فرستنده به صورت کامل توسط گیرنده دریافت می‌شود. با قرار گرفتن قطعه، گیرنده نور ارسالی را دریافت نکرده و بدین ترتیب وجود قطعه تشخیص داده می‌شود.

با استفاده از جدول بعد، می‌توان با توجه به شرایط مختلف، نوع سنسورهای فتوالکتریک مناسب را مشخص نمود.

نوع سنسور مناسب	نکات قابل تامل	هدف و شرایط
سنسور دو طرفه سنسور لیرزری سنسور BGS	دقت تکرار در تعیین موقعیت تنظیم آسان در تعیین موقعیت	تشخیص وجود و موقعیت	نوع تشخیص
سنسور فیبر نوری سنسور لیزری	سایز کوچک نور تابیده شده قابلیت تنظیم دقیق	تشخیص اشیاء کوچک
سنسور فیبر نوری	زمان پاسخ گویی کوتاه	تشخیص اشیایی که با سرعت در حرکت هستند
سنسور اشیاء شفاف	حساسیت بالا	تشخیص اشیاء شفاف
سنسورهای همگرا سنسور BGS سنسور جابجایی	هیسترزیس کم	تشخیص اختلاف سطح
سنسور رنگ سنسور علامت (Mark) سنسور فیبر نوری	رنگ علامت ، پشت زمینه و نور سنسور زمان پاسخ گویی کوتاه	تشخیص علائم (Mark) رنگی
سنسور علامت (Mark)	رزولوشن بالا	تشخیص چگالی رنگ
سنسور Luminescence	نور ماوراء بنفش	تشخیص مواد فلورسنت
سنسور BGS	گیرنده از نوع PSD یا C-MOS	تشخیص اشیاء رنگی
سنسور فیبر نوری سنسورهای بدنه نازک	سایز و ابعاد کوچک	فضای باریک	محدودیت در محل نصب سنسور
سنسور یکطرفه سنسور BGS	محدودیت سمت دید	قابلیت تشخیص تنها از یک سمت
سنسور BGS	هیسترزیس کم	پشت زمینه بازتابنده (Reflective)
سنسور بدنه فلزی و اپوکسی دار	بدنه مقاوم	در معرض ارتعاش و شوک
IP67 / IP69K	مقاوم در برابر آب	در معرض پاشش آب

در جدول زیر انواع سنسورهای فتوالکتریک با توجه به روش تشخیص آنها طبقه‌بندی و بررسی شده‌اند.

ویژگی و رفتار سنسور	روش تشخیص	نوع
نور ارسالی از فرستنده بصورت مستقیم توسط گیرنده دریافت می‌شود. به همین دلیل نسبت به سایر روشها، فاصله اندازه‌گیری در این روش بیشتر بوده و هر چیزی که باعث قطع جریان نور شود، توسط سنسور شناسایی خواهد شد.		دو طرفه Thru-Beam
در این روش به جای گیرنده از یک رفلکتور استفاده می‌شود و به همین دلیل نصب این نوع سنسور نسبت به سنسورهای دوطرفه ساده‌تر است. هر چیزی که باعث عدم بازتابش نور به سنسور شود، به عنوان هدف تشخیص داده خواهد شد.		آینه دار Retro-Reflecvtive
نور ارسالی از سنسور به شیئ برخورد کرده و به سمت سنسور باز گشته و وجود قطعه توسط سنسور تشخیص داده می‌شود. با توجه به عدم وجود گیرنده یا رفلکتور در روبروی سنسور، نصب این سنسورها بسیار آسان است.		یکطرفه بازتابشی Diffuse-Refelective
نسبت به مدل بازتابشی استاندارد (مدل فوق)، شعاع تابش نور این نوع سنسور وسیع‌تر است و به همین دلیل میتواند قطعات نیمه شفاف یا قطعاتی که درون آنها حفره وجود دارد را تشخیص دهند.		یکطرفه بازتابشی همگرا Diffuse-Reflective Divergent
در داخل این سنسورها، از المانهایی نظیر PSD یا پردازشگر تصویر C-MOS  استفاده شده است لذا، برای تشخیص شیئ میتوان بازه‌ای را تنظیم نمود که سنسور قادر خواهد بود در این بازه هر نوع شیئ را فارغ از جنس یا رنگ آن تشخیص دهد.		BGS
این سنسور با استفاده از فیلترهای پلاریزاسیون و همچنین هیسترزیس کم قادر به تشخیص اجسام شفافی نظیر بطری شیشه‌ای و لایه‌های شفاف پلاستیکی می‌باشد.		سنسور اشیاء شفاف Transparent Object Sensor
با استفاده از آمپلی‌فایر، میتوان متناسب با کاربرد مورد نظر، سنسور را انتخاب نمود. با توجه به ابعاد کوچک سنسور، میتوان آن را در فضاهای کوچک نصب نمود.		سنسور فیبر نوری و آمپلی فایر
کابل فیبرنوری شامل یک مرکز(تعدادی رشته‌های کابل) و یک پوشش در اطراف رشته‌های کابل می‌باشد. از آنجا که ضریب انکسار رشته‌های کابل بسیار بیشتر از پوشش می‌باشد، لذا بازتابش کلی درونی در مرز رشته‌ها و پوشش رخ داده و بدین ترتیب نور میتواند با راندمان بالا از درون کابل نوری عبور نماید.		سنسور فیبر نوری (کابل فیبر نوری)
با توجه به نوع کاربرد، ترکیب‌های مختلفی از آمپلی‌فایر و کابل فیبر نوری وجود دارد. سنسورهای فیبر نوری به همراه آمپلی‌فایر برای تشخیص رنگ، اختلاف سطح و نیز کنترل سطح مایعات مورد استفاده قرار می‌گیرند.		آمپلی فایر فیبر نوری
به دلیل رزولوشن بسیار بالا، این نوع سنسور قادر به تشخیص اختلاف رنگ‌های جزئی و نیز سایه‌ها می‌باشد.		سنسور رنگ / علامت Color / Mark Sensor

حال به بررسی فهرست معانی واژه‌های پرکاربرد در خصوص سنسورهای فتوالکتریک پرداخته می‌شود.

شرح	شرح تصویری	واژه
در سنسورهای دو طرفه (Thru-Beam)، فاصله بین فرستنده و گیرنده به عنوان فاصله تشخیص در نظر گرفته می‌شود
در سنسورهای آینه‌دار (Retro-Reflective)، فاصله بین سنسور و رفلکتور، به عنوان فاصله تشخیص در نظر گرفته می‌شود		فاصله تشخیص (Sensing Distance)
در سنسورهای یکطرفه (Diffuse-Reflective)، فاصله بین سنسور تا قطعه، به عنوان فاصله تشخیص در نظر گرفته می‌شود.
حداقل اندازه یا قطر قطعه هدف که سنسور قادر به تشخیص آن می‌باشد.		حداقل اندازه قابل تشخیص (Min. Detectable Object)
اختلاف زمانی بین لحظه‌ای که نور توسط سنسور دریافت می‌گردد تا زمانی که خروجی سنسور فعال می‌شود. این زمان به صورت کسری از ثانیه است.		زمان پاسخگویی (Response Time)
محدوده‌ای که سنسور با قرار گرفتن قطعه در آن محدوده فعال میشود.		دقت تکرار (Repeat Accuracy)
در سنسورهای یکطرفه، با نزدیک شدن قطعه به سنسور، خروجی سنسور فعال شده و با دور شدن قطعه، خروجی غیر فعال می‌شود. اختلاف این دو فاصله، هیسترزیس نامیده می‌شود.		هیسترزیس (Hysteresis)
خروجی سنسور در زمانی که نور توسط گیرنده دریافت می‌شود، فعال است.		Light ON
خروجی سنسور در زمانی که نور توسط گیرنده دریافت نمی‌شود، فعال است.		Dark ON
خروجی سنسور پس از تاخیر زمانی تعریف شده، قطع می‌شود.		تایمر تاخیر در قطع (Off Delay Timer)
با استفاده از ورودی دیجیتال، و بدون وارد شدن به تنظیمات سنسور، پارامتر خاصی را میتوان تنظیم نمود یا تغییر داد.		تنظیم پارامتر با ورودی دیجیتال (External Teaching)

در جداول زیر، فهرست معانی واژه‌های پرکاربرد سنسورهای فیبر نوری، که نوعی از سنسورهای فتوالکتریک هستند، آمده است.

شرح	شرح تصویری	واژه
کابل فیبر نوری تیپ R1 دارای شعاع خمش 1 میلیمتر و نوع R2 دارای شعاع خمش 2 میلیمتر است. چنانچه بنا به نوع کاربرد، دفعات خمش زیاد است باید از نوع R4 استفاده شود که شعاع خمش آن 4 میلیمتر است.		خم زیاد (Tight Bend)
نظیر سنسور‌های فتوالکتریک آینه‌دار ، سنسور فیبر نوری یکطرفه نیز وجود دارد.		فیبر نوری آینه‌دار (Retro Reflective Fiber Sensor)
زاویه‌ای است که نور از نوک سنسور فیبر نوری ارسال و یا دریافت می‌شود. در سنسورهای فیبر نوری استاندارد این زاویه معادل 60 درجه و در نوع باریک آن معادل 2 تا 5 درجه است.		زاویه تابش (Aperture Angle)
با استفاده از یک عدد لنز داخلی، زاویه تابش نور بین 2 تا 5 درجه است. این نوع سنسور برای فواصل دید بیشتر بسیار مناسب است.		پرتو باریک (Narrow Beam)
از آنجا که محور تابش با محور دریافت زاویه دارد، لذا دید این سنسور محدود می‌شود.		سنسور یکطرفه محدود (Limited Diffuse)
در این نوع سنسور قطر رشته‌های فیبر هسته در حدود 5/0 میلیمتر است و بنابراین نور ارسالی نیز بسیار باریک تابیده می‌شود و به همین دلیل این نوع سنسور برای تشخیص اشیاء بسیار کوچک مناسب خواهد بود.		هسته فیبر ظریف (Fine Fiber Core)
هسته کابل‌های فیبر نوری، بسته به نوع کاربرد، ساختارهای متفاوتی دارند. برای مثال در فیبر نوری یکطرفه، یک رشته فیبر به قطر 5/0 میلیمتر در مرکز کابل برای ارسال نور قرار دارد و 9 رشته فیبر با قطر 25/0 میلیمتر در اطراف آن برای دریافت نور وجود دارد. دقت تکرار این نوع سنسور بسیار بالا است. این ساختار با عنوان Coaxial شناخته می‌شود.		هسته مرکزی فیبر نوری (Core)
رشته‌های فیبر در یک ستون و به موازات هم چیده می‌شوند و بنابراین با توجه به عرض سنسور، پرتوهای موازی به سمت قطعه تابیده خواهد شد. این نوع سنسور برای تشخیص اشیایی که موقعیت آنها ثابت نیست، کاربرد دارد.		چیدمان رشته‌ای ( Beam Array)
رشته‌های فیبر در یک ستون و به موازات هم چیده می‌شوند اما پس از عبور از لنزهای داخلی، بصورت تابشی یکپارچه از سنسور خارج می‌شوند. این نوع سنسور برای تشخیص اشیایی که موقعیت آنها ثابت نیست، کاربرد دارد.		چیدمان پرده‌ای ( Screen Array)
به قسمت فلزی بیرون زده از نوک سنسور، Sleeve گفته می‌شود که میتواند صلب یا قابل انعطاف باشد. این نوع سنسور برای تشخیص اشیاء در فضاهای بسیار تنگ مناسب است.		Sleeve
راستای تشخیص قطعه در وجوه جانبی سنسور قرار دارد.		Side ON / Side View
راستای تشخیص قطعه در امتداد فیبر نوری و بر روی پیشانی Head قرار دارد		Head ON / Head View
حداقل شعاعی است که میتوان کابل فیبر نوری را بدون اینکه در عملکرد آن تغییری حاصل شود، خم نمود. چنانچه شعاع خمش کابل از این مقدار کمتر شود، باعث کاهش فاصله تشخیص و یا عدم عملکرد سنسور خواهد شد.		شعاع خمش ( Bending Radius)
فرستنده و دریافت کننده نور به صورت مستقل بوده و باید روبروی یکدیگر نصب شوند. فاصله تشخیص این نوع سنسور از نوع یکطرفه یا نوع آینه‌دار بیشتر است.		سنسور فیبر دو طرفه ( Thru-Beam)
فرستنده و گیرنده نور در یک بدنه وجود دارد. نور تابیده شده پس از برخورد به شیئ بازگشته و توسط گیرنده دریافت می‌شود. نصب این نوع سنسور راحت‌تر از نوع دوطرفه است اما فاصله تشخیص آن نیز کمتر از نوع دوطرفه است.		سنسور فیبر یکطرفه (Diffuse Type)
در این نوع سنسور، فرستنده و گیرنده بر روی سطح تخت سنسور قرار دارند. این سنسور برای نصب در شیارهای باریک مناسب است.		سنسور فیبر تخت (Flat ON)

برخی از واژه‌های پرکاربرد در مورد سنسورهای فتوالکتریک فیبر نوری عبارتند از:

شرح	واژه
این واژه در مورد کابل‌های فیبر نوری بکار میرود که ساختار بسیار انعطاف‌پذیری دارند و در مکان‌هایی مورد استفاده قرار میگیرند که کابل بصورت مستمر تحت خمش قرار می‌گیرد. (مثل رباتها) حداقل شعاع خمش این نوع کابل 4 میلیمتر است.	High Flex
این واژه در مورد کابل‌های فیبر نوری بکار می‌رود که در مقابل خلاء مقاوم هستند. قسمت مربوط به خلاء و قسمت مربوط به اتمسفر، دو قسمت تشکیل دهنده این نوع کابل بوده که با یک اتصال مخصوص به یکدیگر متصل می‌شوند. این نوع کابل‌ها تا دمای 300 درجه سانتی‌گراد نیز مقاوم هستند.	Vacuum Resistant
کابل فیبر برخی از سنسورها را میتوان توسط ابزار مخصوص، به اندازه مورد نیاز کوتاه نمود. این عبارت در مورد این سنسورها بکار برده می‌شود. ابزار مخصوص درون جعبه این سنسورها وجود دارد.	Free Cut
این نوع سنسورها با استفاده از نور مادون قرمز با طول موج 45/1 میکرون، می‌توانند آب را تشخیص دهند.	Detecting Water
نصب لنز‌های مخصوص بر روی سنسورهای فیبر نوری، باعث افزایش فاصله تشخیص آنها (نوع دوطرفه) و یا افزایش قابلیت تشخیص قطعات کوچک (نوع یکطرفه) خواهد شد.	Lens
برخی سنسورهای فیبر نوری، با سنجش تنش سطحی مایعات، به عنوان سنسورهای تشخیص نشتی مورد استفاده قرار می‌گیرند.	Leakage Type

عموما خروجی سنسورهای فتوالکتریک از نوع ترانزیستوری است. بسته به نوع ترانزیستور بکار رفته، خروجی می‌تواند از نوع NPN یا PNP باشد.

در خروجی نوع NPN، مسیر حرکت جریان از پایه کلکتور (Collector) به سمت پایه امیتر (Emitter) است در حالیکه در خروجی نوع PNP، مسیر حرکت جریان بصورت معکوس و از امیتر (Emitter) به سمت کلکتور (Collector) است.

در ترانزیستورهای PNP، بار تنها بین خروجی و قطب منفی منبع تغذیه سنسور باید قرار گیرد در حالیکه در ترانزیستورهای NPN، بار بین خروجی و قطب مثبت منبع تغذیه سنسور و یا بین خروجی و قطب مثبت یک منبع تغذیه خارجی دیگر میتواند قرار گیرد. لازم به ذکر است در محیط‌هایی که مقدار نویز بالا است، ترانزیستورهای PNP عملکرد بسیار بهتری دارند.  

در شکل‌های زیر نحوه اتصال بار در خروجی ترانزیستورها نمایش داده شده است.

لازم به ذکر است که خروجی سنسورهای فتوالکتریک در سه نوع مختلف وجود دارد:

• خروجی سیم‌دار ، که به صورت استاندارد طول سیم آنها 2 متر است
• خروجی سوکتی
  • سوکت M8 با 4 پین
  • سوکت M12 با 4 یا 5 پین
• خروجی ترمینالی، که میتوان برای آن از سیم قطر 6 میلیمتر تا سیم قطر 10 میلیمتر استفاده نمود.

در برخی از سنسورهای فتوالکتریک از LED به عنوان المان ارسال کننده (چشمه نور) و از فتودیود به عنوان دریافت کننده استفاده می‌شود. در سنسورهای لیزری از المانی به نام دیودهای لیزری به عنوان چشمه نور استفاده می‌شود.

رنگ نور، با توجه به طول موج آن تغییر می‌کند و از آنجا که نورهای مرئی طول موجی بین 400 تا 700 نانومتر دارند، لذا در بیشتر سنسورهای نوری از ارسال کننده‌هایی که رنگ نور آنها در این بازه است، استفاده می‌شود. در تصویر زیر طیف رنگهای مختلف نمایش داده شده است.

در سنسورهای فتوالکتریک مختلف، و با توجه به نوع آنها، موج نور به دو روش ایجاد می‌شود:

نور پالسی مدولار (Pulse Modulated Light)

در این روش که بیشتر سنسورهای نوری، از آن استفاده می‌کنند، نور در بازه‌های زمانی مشخص و به صورت پالس تولید می‌شود. با این روش، تاثیر و تداخل نورهای سایر منابع خارجی، حذف شده و هیچ گونه اختلالی در عملکرد سنسور بوجود نمی‌آید.

در برخی مدل‌ها، با استفاده از سیستم حفاظتی اختلال دوطرفه (Mutual Interference Protection)، سیکل تابش نور در بازه مشخصی قابل تنظیم است که این امر باعث می‌شود سنسور به طور موثرتری، اثر نورهای خارجی را حذف کند. در شکل زیر، نوع شکل موج نمایش داده شده است.

نور مدولار نشده (Non-Modulated Light)

در این روش که عمدتا سنسورهای فتوالکتریک علامت (Mark Sensor) از آن استفاده می‌کنند، نور با چگالی ثابت و به صورت ممتد از سنسور ارسال می‌شود. زمان پاسخگویی این نوع سنسورها بسیار کم است اما در مقابل، فاصله تشخیص آنها محدود و در مقابل اثر نورهای خارجی، دچار اختلال در عملکرد می‌شوند.

غالبا رفتار سنسورهای فتوالکتریک ، با استفاده از نمودارهای مختلف بیان می‌شود. این نمودارها که توسط سازندگان سنسور با دقت بسیار بالایی تهیه می‌شوند، عبارتند از:

نمودار بهره اضافه (Excess Gain)

درک مفهوم “بهره اضافه” سنسورهای فتوالکتریک و نیز مقدار مورد نیاز آن، با توجه به نوع کاربرد، یکی از مهمترین پارامترهایی است که باید در زمان انتخاب یک سنسورهای فتوالکتریک به آن توجه نمود.

بهره اضافه، نسبت سطح انرژی نور دریافتی توسط سنسور، به سطح نور آستانه آمپلی‌فایر سنسور، در وضعیت بیشینه پتانسیومتر است. آستانه (Threshold)، کمترین سطح انرژی مورد نیاز برای آمپلیفایر سنسور است، تا خروجی سنسور توسط آمپلی‌فایر فعال (ON) و یا غیر فعال (OFF) شود. به بیان ساده‌تر، بهره اضافه، حداقل سطح انرژی نور برای عملکرد صحیح سنسور است.

سطح نور ارسالی توسط هر سنسور، در یک سطح مشخص عملکردی، در کارخانه سازنده، کالیبره می‌شود. با این وجود وجود آلاینده‌هایی نظیر گرد و غبار، دود، رطوبت و … در محیط کاری سنسور، باعث تضعیف سیگنال نوری می‌شوند.

بهره اضافه، سطح انرژی بیشتر موجود برای غلبه بر مقدار افت سیگنال خواهد بود. بهره اضافه، یکی از مهمترین پارامترهایی است که در قسمت مشخصات فنی سنسورهای فتوالکتریک ، باید مورد توجه قرار گیرد. در این نمودار، بهره اضافه در دسترس، نسبت به فاصله ترسیم می‌شود.

باید توجه شود که نمودار بهره اضافه سنسورهای فتوالکتریک با در نظر گرفتن شرایط محیطی هوای بسیار پاک و بیشترین بهره اضافه قابل استفاده تهیه و ترسیم می‌شود. در زمان استفاده از بهره اضافه یک سنسور باید دقت شود که:

• بدون در نظر گرفتن تشخیص قطعه، بهره اضافه، در بالاترین سطح ممکن تنظیم شود
• سنسوری انتخاب شود که بهره اضافه آن با توجه به شرایط محیطی، بهینه باشد.

با استفاده از جدول بعد، با توجه به شرایط محیطی متفاوت، بهره اضافه مورد نیاز درج شده است که با استفاده از آن باید مناسب‌ترین نوع سنسور با تکنولوژی صحیح انتخاب شود.

شرایط عمومی محیطی	بهره اضافه Excess Gain (EG)
هوای بسیار تمیز به شرایط محیطی مکانهایی نظیر داروسازی‌ها، سازندگان نیمه هادی و … که هوای محیطی بسیار پاک و عاری از هر نوع آلودگی دارند، اطلاق می‌شود. در این محیط‌ها، هیچ گرد و غباری وجود ندارد و به همین دلیل لنز سنسور یا آینه آن همواره تمیز باقی می‌ماند. در این محیط‌ها، بهره اضافه 1.5X، (50  درصد انرژی نوری بیشتر از حداقل مورد نیاز است) باید برای سنسور در نظر گرفته شود.	1.5X
آلودگی محیطی کم دفاتر کار اداری، آزمایشگا‌های کارخانجات و …، در این دسته محیط‌های کاری طبقه‌بندی می‌شوند. در این محیط‌ها، مقدار کمی گرد و غبار، بخار روغن و یا رطوبت بر روی لنز و یا آینه سنسورها قرار می‌گیرد که به طور منظم و مطابق برنامه، تمیز می‌شوند.	5X
آلودگی محیطی متوسط صنایع خودرو‌سازی، صنایع غذایی و …، در این دسته محیط‌های کاری طبقه‌بندی می‌شوند. در این محیط‌ها، آلاینده‌ها به گونه‌ای بر روی لنز و یا آینه سنسورهای فتوالکتریک ، قرار می‌گیرند که علاوه بر تمیزکاری مرتب، لنز و آینه سنسورها،  به صورت دوره‌ای شستشو می‌شوند.	10X
آلودگی محیطی زیاد کارگاه‌های ریخته‌گری، معادن، کارخانجات کاشی و سرامیک، سنگ‌بری‌ها و …، در این گروه قرار دارند. در این محیط‌ها، سطح آلاینده‌هایی نظیر روغن، بخار آب، دود و گرد و غبار بسیار زیاد بوده و تمیز‌کاری لنز یا آینه سنسورهای فتوالکتریک به ندرت انجام می‌شود.	50X

در تصاویر زیر دو نمونه از این نوع نمودار نمایش داده شده است.

نمودار محدوده تشخیص (Sensing Area)

از آنجا که سنسورهای فتوالکتریک آینه‌دار (Diffuse Retro-Reflective) و سنسورهای فتوالکتریک دوطرفه (Thru-Beam) دارای دو المان هستند (سنسور – آینه و سنسور فرستنده – سنسور گیرنده)، لذا نصب آنها باید به گونه‌ای صورت پذیرد که محور هر دو المان، در راستای افقی و عمودی، کاملا روبروی هم و همراستا باشند.

با این وجود، سازندگان سنسورهای فتوالکتریک ، محدوده‌ای را به عنوان محدوده تشخیص مشخص می‌کنند که چنانچه محور این دو المان، در یک راستا نباشد و نسبت به هم فاصله داشته باشند، باز هم سنسور دارای عملکرد باشد. این محدوده عملکرد، در نموداری با عنوان نمودار ناحیه تشخیص (Sensing Area)، برای هر سنسور، و در حالی‌که پتانسیومتر آن در وضعیت بیشینه قرار داده شده باشد، توسط سازندگان سنسور تهیه و در قسمت مشخصات فنی سنسور ارائه می‌شود.

در تصاویر زیر، نمونه این نمودارها، برای سنسورهای یکطرفه آینه‌دار و نیز سنسورهای دوطرفه نمایش داده شده است.

نمودار محدوده تداخل (Interference Area)

در بسیاری از موارد، و با توجه به نوع کاربرد، باید چندین عدد سنسور، به صورت موازی و در کنار یکدیگر نصب شوند. در این شرایط، باید مقدار فاصله جانبی سنسورها از یکدیگر به نحوی رعایت شود که سنسورها بر روی یکدیگر تاثیرگذار نباشند. این فاصله ایمن برای هر سنسور از جمله سنسورهای فتوالکتریک ، در قالب نمودار محدوده تداخل، توسط سازنده‌گان سنسورهای فتوالکتریک تعیین و ارائه می‌شود.

در شکل زیر یک نمونه از این نمودارها، نمایش داده شده است.

نمودار انحراف زاویه‌ای (Angular Deviation)

سنسورهای دوطرفه دارای یک عدد فرستنده (Emitter) و یک عدد گیرنده (Receiver) هستند. در زمان نصب این نوع سنسورها، باید این دو المان به گونه‌ای نصب شوند که محور تابش فرستنده با محور دریافت گیرنده در یک راستا قرار گیرند.

در بسیاری موارد، ممکن است محور یکی از این دوالمان، با محور دیگری دارای زاویه‌ باشد. این زاویه انحراف چنانچه در محدوده مشخصی باشد، سنسور کماکان دارای عملکرد خواهد بود. سازندگان این نوع سنسورها، مقدار زاویه مجاز انحراف را برای هر سنسور محاسبه کرده و تحت نمودار انحراف زاویه‌ای ارائه می‌کنند.

یک نمونه از این نمودارها در شکل زیر نمایش داده شده است.

نمودار هیسترزیس (Hysteresis)

در سنسورهای بازتابشی (Reflective Type) حداقل تغییرات فاصله قابل تشخیص توسط سنسور، به نام هیسترزیس نامیده می‌شود. این پارامتر که تحت تاثیر ضریب بازتابش و نیز جنس قطعه هدف است، باعث می‌شود تا یک قطعه، در زمان تکرار، در فواصل متفاوتی از سنسور تشخیص داده شده و باعث فعال شدن خروجی سنسور گردد.

به همین دلیل، نمودار هیسترزیس، برای هر سنسور و با توجه به رنگ‌های مختلف، توسط سازندگان سنسور تهیه و به عنوان مشخصات فنی آن سنسور، ارائه می‌شود. در شکل زیر یک نمونه این نمودارها، نمایش داده شده است.

نمودار واکنش در برابر مواد مختلف (Material Response)

سنسورهای  BGS که در واقع مخفف Back Ground Suppression می‎‌باشد، در واقع سنسورهای یکطرفه‌ای (یکطرفه ساده یا یکطرفه آینه‌دار) هستند که با توجه به المان حسگر جداگانه می‌توانند یک قطعه را با توجه به فاصله تشخیص تنظیم شده و بدون در نظر گرفتن پشت زمینه آن، تشخیص دهند.
از سوی دیگر سنسورهای FGS (Fore Ground Suppression  می‌توانند از تشخیص قطعاتی که در فاصله کمتر از فاصله تنظیم شده قرار می‌گیرند و یا قطعاتی که به دلیل سیاه بودن بیش از حد بازتابش نور کمی دارند و یا قطعاتی نظیر آینه که بازتابش آنها بیش از حد معمول است ، جلوگیری کنند.

همینطور نوع جنس قطعه، میتواند در عملکرد سنسور تاثیر گذاشته و فاصله تشخیص را کاهش دهد. به همین دلیل سازندگان سنسور، نمودار واکنش سنسور در برابر مواد مختلف را برای هر سنسور، تهیه و در قسمت مشخصات فنی سنسور ارائه می‌کنند. فاصله مرجع برای سنسورها، با در نظر گرفتن کاغذ سفید رنگ، مشخص و سپس واکنش سنسور در مقابل سایر مواد، اندازه‌گیری می‌شود.

در شکل زیر یک نمونه از این نمودارها نمایش داده شده است.

نمودار واکنش در برابر رنگ (Color Response)

نظیر جنس قطعات، رنگ قطعات نیز  در عملکرد سنسورهای BGS و FGS تاثیر گذاشته و فاصله تشخیص را کاهش دهد. به همین دلیل سازندگان سنسور، نمودار واکنش سنسور در برابر مواد مختلف را برای هر سنسور، تهیه و در قسمت مشخصات فنی سنسور ارائه می‌کنند. در شکل زیر یک نمونه از این نمودارها نمایش داده شده است.

نمودار اندازه (قطر) پرتو نور (Spot Size)

با تابش نور ارسالی از فرستنده و دور شدن پرتو نور از منبع، سایز پرتو نور افزایش می‌یابد. هر چه سایز پرتو نور کوچکتر باشد، سنسور قادر به تشخیص قطعات کوچکتر نیز خواهد بود. در واقع با افزایش سایز پرتو نور، منطقه‌ دید سنسور وسیع شده که این امر باعث اختلال در تشخیص قطعات کوچک خواهد شد.

نمودار سایز پرتو نور نسبت به فاصله از سنسور تهیه می‌شود که در شکل زیر یک نمونه آن نمایش داده شده است.

حال به بررسی نکاتی در خصوص نصب سنسورهای نوری پرداخته می‌شود.

• در زمان نصب سنسورهای دوطرفه و یکطرفه، توصیه می‌شود که سنسورها با فاصله‌ای از سطح نصب شوند زیرا نصب مستقیم سنسورها بر روی سطح، در برخی موارد باعث انعکاس نور از سطح و اختلال در عملکرد سنسور خواهد شد.
• در زمان نصب سنسورهای یکطرفه، ممکن است پس زمینه قطعه باعث اختلال در عملکرد سنسور شود. در این خصوص توصیه میشود:
  • پس زمینه با استفاده از رنگ و یا برچسب، به رنگ مشکی درآید.
  • فاصله پس زمینه از قطعه افزایش یابد.
  • در صورت امکان از سنسورهای نوع BGS استفاده شود.
• در زمان نصب چند سنسور به صورت موازی به نکات زیر توجه شود:
  • فاصله بین سنسورها بیشتر از فاصله درج شده در نمودار ناحیه تداخل سنسورها در نظر گرفته شود.
  • در صورتیکه سنسورها دوطرفه هستند، توصیه می‌شود یا مجهز به فیلتر پلاریزه و یا دارای لنز چاک‌دار (Slit Mask) باشند.
  • در صورتیکه سنسورها به صورت ترکیبی از نوع دوطرفه و یکطرفه (ساده و آینه دار) هستند، حتما با رعایت فاصله، یکی در میان نصب شوند.
  • توجه شود که بازتابش نور از روی سطح قطعه، میتواند توسط گیرنده یک سنسور دیگر دریافت و در عملکرد آن اخلال ایجاد نماید.
  • در صورت امکان از سنسورهای فیبر نوری به همراه آمپلی‌فایر استفاده شود.
• توجه شود که نور درخشان و با فرکانس بالای سایر المانها و تجهیزات، می‌تواند در عملکرد سنسور اخلا ایجاد نماید. در این حالت سنسور به گونه‌ای نصب شود تا با راستای تابش نوری تجهیز دیگر دارای زاویه باشد.
• هرگز در زمانی که ولتاژ تغذیه به سنسور متصل است، نسبت به جدا کردن سیم‌ها و یا ترمینال سنسور اقدام نشود.
• هرگز در بازه زمانی بین 100 میلی‌ثانیه تا 2 ثانیه از زمان روشن شدن سنسور، از سنسور استفاده نشود.
• سیم‌های سنسور، باید از سیم‌های دارای ولتاژ بالا دور باشند. ولتاژ القایی می‌تواند در عملکرد خروجی سنسور اختلال ایجاد نماید.

در تصاویر زیر نحوه نصب سنسورها و اختلالات مربوطه، نمایش داده شده است.

برای محاسبه زمان پاسخ یک سنسور (Response Time) با توجه به پهنای قطعه هدف (چیزی که سنسور باید با دیدن آن فعال شود)، و توجه به سرعت عبور آن از مقابل سنسور، می‌توان از رابطه زیر استفاده کرد:

زمان پاسخگویی = عرض قطعه، تقسیم بر سرعت خطی

برای مثال در شکل زیر یک عدد لیبل با عرض 5 میلیمتر با سرعت 5 متر بر ثانیه از جلوی یک عدد سنسور عبور میکند. بنابر این زمان پاسخگویی برابر است با:

زمان پاسخگویی = 5 (میلیمتر) / 5 (متر بر ثانیه) = 5 (میلیمتر) / 5000 (میلیمتر بر ثانیه) = 001/0 ثانیه

با توجه به محاسبه فوق، سنسور باید به گونه‌ای انتخاب شود که زمان پاسخگویی آن 1 میلی ثانیه یا کمتر باشد.

امیدواریم مطلب ” سنسورهای فتوالکتریک ” برای شما کاربر گرامی مفید واقه شده باشد. در صورت تمایل میتوانید سنسورهای موجود را از اینجا مشاهده فرمایید.

در صورت تمایل به مطالعه مطالب مشابه ” سنسورهای فتوالکتریک ” به بخش مطالب آموزشی وب سایت یا کانال اینستاگرام شرکت به آدرس Instagram.com/AltonSegal مراجعه فرمایید