Optické zenzory pro měření vzdálenosti

Optické senzory přiblížení - proximitní optické snímače

Principielní schéma činnosti optického snímače znázorňuje obr. 1. Princip funkce je následující: kužel světla, usměrněný ze zdroje optikou, dopadá na předmět (popř. překážku), od něho se odráží a je optickou soustavou usměrněn na fotocitlivý prvek. Optika vysílače i přijímače zajišťuje protnutí světelných bodů v malé oblasti, nazývané citlivou zónou. Jestliže není předmět v této oblasti, nedojde od něho k odražení energie, fotocitlivý prvek pak nepřijímá žádnou odraženou energii a nedojde tedy ke vzniku signálu. Jako zdroj světla muže sloužit v nejjednodušším případe žárovka nebo luminiscenční dioda (LED), pracující v oblasti viditelného nebo lépe infračerveného světla. Nově se začíná používat polovodičového nebo plynového laseru. Jako přijímač může sloužit fotodioda, fototranzistor nebo PSD prvek, popř. CCD kamera. Při použití PSD prvku lze realizovat poměrně přesné měření polohy předmětu nebo řezu předmětu v rovině, neboť tyto prvky mají velkou rozlišovací schopnost (i pod 1 mm). Dosah bývá od několika cm až po několik m.

Obr. 1. Princip optického snímače

Použití

• Dnes již pro snímání a detekci polohy téměř libovolných materiálů (pro průhledné materiály jsou obvykle speciálně určené senzory)
• Detekce na vzdálenosti až desítek metrů
• Detekce obrovských i malých objektů
• Snímání pohybujících se předmětů i různých teplot
• Strojní průmysl - dopravníky, detekce posunu, kontrola kvality
• Montážní linky - nastavení pozice, počítání dílů
• Textilní stroje - zjišťování množství materiálu na odvíjené roli
• Potravinářský průmysl - např. zjišťování přítomnosti pečiva na výrobní lince, kontrola obsahu krabic, kontrola velikosti cukrářských výrobků
• Sledování a detekce otvorů ve výrobcích
• Kontrola velikosti předmětů
• Kontrola naplnění různých zásobníků
• Zjišťování chybných etiket

Princip optického senzoru / závory

Princip funkce senzorů, jak již jejich název napovídá, je spjatý se světlem, resp. pracuje na principu detekce existence nebo měření intenzity paprsku světla dopadajícího na přijímací část senzoru. Obecně může být zdroj paprsku oddělen od přijímače, ale já se budu zde zaobírat pouze senzory, pracující na principu reflexe, tzn. zdroj paprsku světla i detektor jsou umístěny v jednom pouzdru. Ty jediné lze pak považovat jako alternativu k jiným typům senzorů přiblížení.
Samotný princip detekce přiblížení objektu (viz. obr.1) je pak podobný jako u ultrazvukových senzorů. Tzn. měří se nebo detekuje množství odraženého světla dopadající zpět na optický detektor umístěný hned vedle vysílače. Konkrétně se měří úroveň amplitudy nebo světelný výkon a porovnává s nastavenou, požadovanou hodnotou. To umožňuje nejen měřit vzdálenost, ale zpracovat jiné optické parametry jakou jsou kontrast a barva.

Senzor jsou tedy složené z optického vysílače a přijímače. Vysílače jsou tvořené buď LED diodou (pro dosah jednotek metrů) nebo laserovou diodou (pro dosah až několik desítek metrů). Jako LED se obvykle využívají různé diody ve viditelném spektru světla, laser se často používá červené barvy. Přijímače jsou dnes tvořené fototranzistory nebo pro výkonnější senzory rychlejšími PIN fotodiodami.

Obr. 3. Řez strukturou snímače

Podle toho, co paprsek odráží, se senzory dělí na:

• reflexní senzory/spínače přiblížení - detekuje se odražený paprsek od přiblíženého objektu
• reflexní závory - detekuje se přerušení paprsku odrážejícího se od odrazky

Uvedený popis však v některých případech nemusí úplně platit, protože se i v prvním případě někdy používá přerušení paprsku a v druhém případě se někdy přidělává odrazka např. na rotující objekt a detekuje se vždy chvilkový odraz.

Reflexní senzory

Ty to senzory se svým použitím nejvíce blíží ultrazvukovým senzorům přiblížení. V běžném provedení mají měřící dosah nejčastěji do 0.5 m, ale existují dnes i senzory s větším dosahem až 2.0 m při vysílači tvořeném infra LED a až 1.5 m při použití červené laserové diody.

Skupinu reflexních senzorů přiblížení, lze často dle principu detekce dále rozdělit na:

• senzory s potlačeným pozadím (background proximity photosensors) - detekuje se odraz světla od detekovaného objektu, rozpoznání objektů v rámci definované vzdálenosti snímání. Objekty, které leží za touto hodnotou, jsou odcloněny.
•  senzor s potlačeným popředím (foreground proximity photosensors) - detekuje se odraz od pozadí za detekovaným objektem, rozpoznání nízkých objektů, např. na jedoucím pásu. Rozpoznány jsou objekty, které zmenšují vzdálenost mezi senzorem a rovinou pásu.
• energetické (energetic) - také detekuje odraz světla od snímaného předmětu. Vzdálenost snímání / bod sepnutí je však nastavitelný prostřednictvím změny citlivosti.

Podle použité optiky se pak někdy dále rozlišuje několik provedení:

• difuzní - používají čočky pro kolimaci paprsků, aby se vrátilo co nejvíce světla => zvětšení snímací vzdálenosti, zvýšení citlivosti na úhlu naklonění
• divergentní - nemá kolimační čočky => kratší spínací vzdálenost, menší citlivost na odklonu či pootoční proti kolmému postavení proti snímanému objektu
• konvergentní - používá čočku pro zaostření světla do ohniska => umožní detekovat i velmi malé objekty a z materiálů s velmi špatnou reflexí

Reflexní závory

Tyto senzory pracují na principu přerušení paprsku odráženého odrazkou připevněnou na podkladu za oblastí pro detekci objektu. Protože odrazka odráží až 3000x více světla než bílý papír, lze takto běžně detekovat předměty na vzdálenost až 10 m. Existují dnes však i senzory s větším dosahem až 22 m při vysílači tvořeném LED a až přes 50 m při použití laserové diody. Navíc nemusí být senzor/závora vždy kolmý na snímaný objekt, naopak často se umisťují pod úhlem 10°, aby se zamezilo zpětnému odrazu paprsku od lesklých předmětů. Tzn. že žádoucí jev pro reflexní senzory je naopak nežádoucí pro závory. Důležitá je zde volba správné odrazky, která musí mít tvar a velikost odpovídající tvaru a velikosti detekovaného objektu a vzdálenosti od senzoru závory.

Obr. 4. Princip optických závor

Charakteristické vlastnosti & parametry

Hlavními parametry optických senzorů přiblížení, které se obvykle uvádí i v katalogu nebo v popisu senzoru, jsou:

• Směrová charakteristika (reflexní senzor) - ohraničená plocha, uvnitř které bude detekován předmět splňující požadavky snímání. Pro všechna provedení reflexních senzorů je definována referenční jednobarevná odrazná karta s 90% reflexe dle stupnice Kodak (bílý papír má reflexi o 10% nižší). Materiály, které mají menší schopnost odrazu světla, mají charakteristiku relativně menší.
• Směrová charakteristika (reflexní závora) - ohraničená plocha, uvnitř které dostane senzor vždy odražený signál. V případě reflexních závor se směrová charakteristika vztahuje k referenční prostorové odrazce typického průměru 80 mm kolmé k optické ose.
• Výkonová rezerva, provozní rezerva - nadbytek výkonu na přijímacím prvku, která přesahuje minimální hodnotu výkonu pro požadovanou spolehlivou funkci senzoru. Provozní podmínky (špína, prach, kouř, vlhkost) pak způsobují zeslabení (útlum) signálu. Výkonová rezerva se uvádí jako funkce vzdálenosti a v případě reflexních závor se uvádí pro konkrétní odrazku. Závisí tedy na zvoleném rozsahu nebo snímací vzdálenosti a příslušném provedení senzorů.
• Prahová úroveň - velikost přijatého výkonu, která právě vyvolá změnu výstupního signálu.
• Kontrast - poměr dvou hodnot světla odpovídající stavům "světlo" (paprsek mezi přijímačem a vysílačem nepřerušen) a "tma" (paprsek přerušen). Vždy je nutné vybrat takový senzor nebo optiku, aby byl kontrast pro danou aplikaci maximální
• Reakční doba, odezva výstupu senzoru - maximální doba potřebná pro zpracování změny vstupního signálu (přerušení paprsku) na změnu výstupního signálu. Tato hodnota pak určuje u digitálních senzorů maximální spínací frekvenci definující minimální rozměry a rychlost pohybu detekovaných předmětů nebo mezery mezi objekty např. na výrobním pásu.
• Průměr paprsku (Ligth spot diameter) - udává průměr vyzařovaného paprsku v určité vzdálenosti od senzoru. Tato hodnota je výsledkem použité optiky a prakticky definuje minimální rozměry detekovaného objektu nebo odrazky, která musí být vždy větší než uvedená hodnota.
• Snímací (spínací) vzdálenost (Scanning distance) - vzdálenost od reflexního senzoru, ve které může být spolehlivě detekován objekt. Tato hodnota závisí na odrazivosti (reflexi) objektu Ro a pozadí Rh. Tato hodnota také závisí na vzdálenosti pozadí od detekovaného předmětu (viz. obrázek 5.)

Obr. 5. Ukázka grafu pro dimenzování vzdáleností mezi senzorem a objektem (x) a nedetekovaným pozadím (y)

          Zpět na hlavní stránku   ׀   Zpět na seznam praktických cvičení  ׀ Měření optických snímačů   ׀ Měřený objekt, přístroje a snímače

      Katedra konstruování strojů - JF - Multimediální podpora v praktických laboratorních měřeních
Copyright © 2006   ZČU v Plzni - Fakulta strojní, Katedra konstruování strojů. Všechna práva vyhrazena.
Poslední aktualizace: 11. 01. 2007