سنسورهای فتوالکتریک (Photoelectric Sensors)

سنسورهای فتوالکتریک (Photoelectric Sensors)، 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 این سنسورها 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 غبارُ خاک و بروز لکه بر روی عملکرد این سنسورها تاثیر منفی خواهد داشت.

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

  • سنسورهای یکطرفه ساده (Diffuse Type)

  • سنسورهای یکطرفه آینه‌دار (Diffuse Retro-Reflective Type)

  • سنسورهای دو طرفه (Thru-Beam Type)

در سنسورهای 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 نوری یکطرفه ساده، که فاصله تشخیص آنها قابل تنظیم هستند، از اصلی به نام سه گوشه‌سازی (Triangulation) استفاده می‌کنند. در این سنسور ها 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 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 N (Near) فتودیود و چنانچه قطعه در فاصله دورتری از سنسور قرار گیرد، بازتابش در قسمت F (Far) فتودیود دریافت خواهد شد.

 

نحوه عملکرد سنسور یکطرفه با قابلیت تنظیم فاصله تشخیص

در سنسورهای یکطرفه آینه‌دار، نظیر سنسورهای یکطرفه ساده، فرستنده و گیرنده در داخل یک بدنه تعبیه می‌شوند. نور تابیده شده از فرستنده، 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 این نوع سنسورها وجود دارد که چنانچه قطعه در آن منطقه قرار گیرد، سنسور 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 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 سنسور 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 سنسور 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.

نحوه ارسال و دریافت نور در سنسورهای یکطرفه آینه‌دار دارای MSR

در سنسورهای 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 سنسور مناسب را مشخص نمود

 

هدف و شرایط

نکات قابل تامل

نوع سنسور مناسب

نوع تشخیص

تشخیص وجود و موقعیت‌

·         دقت تکرار در تعیین موقعیت

·         تنظیم آسان در تعیین موقعیت

·         سنسور دو طرفه

·         سنسور لیزری

·         سنسور BGS

تشخیص اشیاء کوچک

·         سایز کوچک نور تابیده شده

·         قابلیت تنظیم دقیق

·         سنسور فیبر نوری

·         سنسور لیزری

تشخیص اشیایی که با سرعت در حرکت هستند.

·         زمان پاسخ‌گویی کوتاه

·         سنسور فیبر نوری

تشخیص اشیاء شفاف

·         حساسیت بالا

·         سنسور اشیاء شفاف

تشخیص اختلاف سطح

·         هیسترزیس کم

·         سنسورهای همگرا

·         سنسور BGS

·         سنسور جابجایی

تشخیص علائم (Mark) رنگی

·         رنگ علامت، پشت‌زمینه و نور سنسور

·         زمان پاسخ‌گویی کوتاه

·         سنسور رنگ

·         سنسور علامت (Mark)

·         سنسور فیبر نوری

تشخیص چگالی رنگ

·         رزولوشن بالا

·         سنسور علامت (Mark)

تشخیص مواد فلورسنت (دارای تشعشع)

·         نور ماوراء بنفش

·         سنسور Luminescence

تشخیص اشیاء رنگی

·         گیرنده از  نوع PSD یا C-MOS

·         سنسور BGS

محدودیت در محل نصب سنسور

فضای باریک

·         سایز و ابعاد کوچک

·         سنسور فیبر نوری

·         سنسورهای بدنه نازک

قابلیت تشخیص تنها از یک سمت

·         محدودیت سمت دید

·         سنسور یکطرفه

·         سنسور BGS

پشت زمینه بازتابنده (Reflective)

·         هیسترزیس کم

·         سنسور BGS

در معرض ارتعاش و شوک

·         بدنه مقاوم

·         سنسور بدنه فلزی و اپوکسی‌دار

در معرض پاشش آب

·         مقاوم در برابر آب

·         IP67g / IP69K

 

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

 

نوع

روش تشخیص

ویژگی و رفتار سنسور

روش تشخیص قطعه توسط سنسور

دو طرفه

Thru-Beam

سنسور دوطرفه (Thru-Beam)

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.

آینه‌دار

Retro-Reflective

سنسور یکطرفه آینه‌دار

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.

یکطرفه بازتابشی

Diffuse-Reflective

سنسور یکطرفه بازتابشی

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 همگرا

Diffuse-Reflective Divergent

سنسور یکطرفه بازتابشی همگرا

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.

BGS

سنسور BGS

در داخل این سنسورها، از المانهایی نظیـــــــر PSD یــــا 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.

سنسور اشیاء شفاف

Transparent Object Sensor

سنسور اجسام شفاف

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 فیبر نوری و آمپلی‌فایر

سنسور فیبر نوری و آمپلی‌فایر

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.

نوع

روش تشخیص

ویژگی و رفتار سنسور

روش تشخیص قطعه توسط سنسور

سنسور فیبر نوری

(کابل فیبر نوری)

کابل فیبر نوری

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.

آمپلی‌فایر فیبر نوری

آمپلی‌فایر 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.

سنسور رنگ / علامت

Color/Mark Sensor

سنسور رنگ / علامت

به دلیل رزولوشن بسیار بالا، این نوع سنسور قادر به تشخیص اختلاف رنگ‌های جزئی و نیز سایه‌ها می‌باشد.

 

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

واژه

شرح  تصویری

شرح

فاصله تشخیص

(Sensing Distance)

فاصله تشخیص در سنسورهای دوطرفه

در سنسورهای دو طرفه (Thru-Beam)، فاصله بین فرستنده و گیرنده به عنوان فاصله تشخیص در نظر گرفته می‌شود

فاصله تشخیص در سنسور آینه‌دار

در سنسورهای آینه‌دار (Retro-Reflective)، فاصله بین سنسور و رفلکتور، به عنوان فاصله تشخیص در نظر گرفته می‌شود

فاصله تشخیص در سنسور یکطرفه

در سنسورهای یکطرفه (Diffuse-Reflective)، فاصله بین سنسور تا قطعه، به عنوان فاصله تشخیص در نظر گرفته می‌شود.

حداقل اندازه قابل تشخیص

(Min. Detectable Object)

حداقل اندازه قابل تشخیص

حداقل اندازه یا قطر قطعه هدف که سنسور قادر به تشخیص آن می‌باشد.

زمان پاسخگویی

(Response Time)

زمان پاسخگویی

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.

دقت تکرار

(Repeat Accuracy)

دقت تکرار

محدوده‌ای که سنسور با قرار گرفتن قطعه در آن محدوده فعال میشود.

هیسترزیس

(Hysteresis)

هیسترزیس

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.

واژه

شرح  تصویری

شرح

Light ON

Light ON

خروجی سنسور در زمانی که نور توسط گیرنده دریافت می‌شود، فعال است.

Dark ON

Dark ON

خروجی سنسور در زمانی که نور توسط گیرنده دریافت نمی‌شود، فعال است.

تایمر تاخیر در قطع

(Off Delay Timer)

تایمر تاخیر در قطع

خروجی سنسور پس از تاخیر زمانی تعریف شده، قطع می‌شود.

تنظیم پارامتر با ورودی دیجیتال

(External Teaching)

External Teaching

با استفاده از ورودی دیجیتال، و بدون وارد شدن به تنظیمات سنسور، پارامتر خاصی را میتوان تنظیم نمود یا تغییر داد.

 

در جداول زیر، فهرست معانی واژه‌های پرکاربرد سنسورهای فیبر نوری آمده است.

 

واژه

شرح  تصویری

شرح

 خم زیاد

(Tight Bend)

Tight Bend

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.

فیبر نوری آینه‌دار

(Retro Reflective Fiber Sensor)

فیبر نوری آینه‌دار

نظیر سنسور‌های آینه‌دار فتوالکتریک، سنسور فیبر نوری یکطرفه نیز وجود دارد.

زاویه تابش

(Aperture Angle)

زاویه تابش

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.

پرتو باریک

(Narrow Beam)

پرتو باریک

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.

سنسور یکطرفه محدود

(Limited Diffuse)

سنسور یکطرفه محدود

از آنجا که محور تابش با محور دریافت زاویه دارد، لذا دید این سنسور محدود می‌شود.

 هسته فیبر ظریف

(Fine Fiber Core)

هسته فیبر ظریف

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 مرکزی فیبر نوری

(Core)

هسته مرکزی فیبر نوری

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.

چیدمان رشته‌ای

( Beam Array)

چیدمان رشته‌ای

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 پرده‌ای

( Screen Array)

چیدمان پرده‌ای

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.

Sleeve

Sleeve

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.

Side ON / Side View

 

Side ON / Side View

راستای تشخیص قطعه در وجوه جانبی سنسور قرار دارد.

Head ON / Head View

Head ON / Head View

راستای تشخیص قطعه در امتداد فیبر نوری و بر روی پیشانی Head قرار دارد

شعاع خمش

( Bending Radius)

شعاع خمش

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.

سنسور فیبر دو طرفه

( Thru-Beam)

سنسور فیبر دوطرفه

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 یکطرفه

(Diffuse Type)

سنسور فیبر یکطرفه

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 تخت
(Flat ON)

سنسور فیبر تخت

در این نوع سنسور، فرستنده و گیرنده بر روی سطح تخت سنسور قرار دارند. این سنسور برای نصب در شیارهای باریک مناسب است.

 

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

 

واژه

شرح

High Flex

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.

Vacuum Resistant

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.

Free Cut

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.

Detecting Water

این نوع سنسورها با استفاده از نور مادون قرمز با طول موج 45/1 میکرون، می‌توانند آب را تشخیص دهند.

Lens

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.

Leakage Type

برخی سنسورهای فیبر نوری، با سنجش تنش سطحی مایعات، به عنوان سنسورهای تشخیص نشتی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

 

خروجی سنسورهای نوری 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.

 

NPN Output

 

PNP Output

 

لازم به ذکر است که خروجی سنسورها 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 سنسورهای نوری 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.

 

طیف رنگ‌ها

 

نورهای مورد استفاده در سنسورها

 

در سنسورهای 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.

 

Pulse Modulated Light

 

  • نور مدولار نشده (Non-Modulated Light)

در این روش که عمدتا سنسورهای 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.

 

Non-Modulated Light

 

غالبا رفتار سنسورها، 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” سنسور و نیز مقدار مورد نیاز آن، با توجه به نوع کاربرد، یکی از مهمترین پارامترهایی است که باید در زمان انتخاب یک سنسور 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 یک سنسور، باید مورد توجه قرار گیرد. در این نمودار، بهره اضافه در دسترس، نسبت به فاصله ترسیم می‌شود. باید توجه شود که نمودار بهره اضافه یک سنسور 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.

 

بهره اضافه

Excess Gain (EG)

شرایط عمومی محیطی

1.5X

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.

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.

10X

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 سنسورها، قرار می‌گیرند که علاوه بر تمیزکاری مرتب، لنز و آینه سنسورها،  به صورت دوره‌ای شستشو می‌شوند.

50X

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 سنسورها به ندرت انجام می‌شود.

 

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

 

نمودار بهره اضافه (Excess Gain)

 

نمودار محدوده تشخیص (Sensing Area)

از آنجا که سنسورهای آینه‌دار (Diffuse Retro-Reflective) و سنسورهای 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 سنسور، 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 ناحیه تشخیص سنسورهای یکطرفه آینه‌دار

 

نمودار ناحیه تشخیص سنسورهای دوطرفه

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، در قالب نمودار محدوده تداخل، توسط سازنده‌گان سنسور تعیین و ارائه می‌شود. در شکل زیر یک نمونه از این نمودارها، نمایش داده شده است.

 

نمودار محدوده تداخل

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 انحراف زاویه‌ای

 

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 هیسترزیس

نمودار واکنش در برابر مواد مختلف (Material Response)

سنسورهای BGS (Back Ground Suppression) 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 مواد مختلف

 

BGS Mode

 

FGS Mode

 

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 واکنش در مقابل رنگ

 

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.

 

نمودار اندازه (قطر) پرتو نور

 

 

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.

 

نحوه نصب سنسورها و اختلالات مربوطه

 

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.

 

محاسبه زمان پاسخگویی

 

استفاده از مطالب بالا، حتی بدون ذکر منبع، آزاد است.

 

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *