Оптични сензори

Измервателна техникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 4, 2011

Оптични сензориОптични сензориОптични сензориОптични сензориОптични сензориОптични сензориОптични сензори

Основни параметри, структурни разновидности, видове

    Оптичните сензори, използвани за инспекция и контрол на обекти или процеси, намират приложение в почти всички системи за автоматизирано управление на индустриалното оборудване - при регистриране наличието на обекти върху поточни линии, фино позициониране по маркировка, изграждане на предпазни бариери за безопасност на персонала при работа с машини и т. н. в хранително-вкусовата, опаковъчната промишленост, фармацията и много други. Действието им се основава на взаимодействието (прекъсване, преминаване или отразяване) на генериран светлинен лъч с обекта. Генерирането на лъча се извършва в предавателя чрез електронен блок. Обикновено приемникът е фотодиод или фототранзистор със същата спектрална характеристика, както и предавателя. За да се ограничи действието на приемника до улавяне на лъчи само от предавателя, без друга светлина, обикновено се използват две решения - работа с импулси или синхронен детектор, който реагира само на импулси с честота на излъчените от приемника.
При голяма част от оптичните сензори лъчът се формира от светодиод, работещ във видимия или инфрачервен спектър. Инфрачервените LED са подходящи за значителни разстояния поради по-големия им к. п. д., който е предпоставка за повишаване на мощността на излъчване и намаляване на загряването им. Сензорите с LED във видимия спектър са по-лесни за настройка, пускане в експлоатация и проверка на работата. Освен светодиоди, в предавателите се използват и полупроводникови лазери. Характеризират се с по-тесен лъч и по-голяма мощност, което благоприятства работата им на по-големи разстояния. Като недостатък при тях може да се посочи, вероятността тънкият им лъч да бъде прекъснат от твърди частици във въздуха и нуждата от повишени мерки за безопасност за работещите в сектора. И при двата вида диоди за увеличаване на разстоянието с малка загуба на мощност и нагряване се използва излъчване на къси импулси с честота на повторение няколко kHz. При следене на непрозрачни обекти се регистрира наличието или отсъствието на отразен лъч. Наличието на прозрачни обекти (напр. стъклени бутилки на конвейер) се регистрира по намаляването на интензитета на отразения лъч.

 

Основни параметри
Сред специфичните параметри на оптичните сензори е пространственият ъгъл на излъчване със стойности между 1,5 и 60о. Той, заедно с разстоянието до обекта (L), определя диаметъра на петното върху обекта. Друг параметър е чувствителността (S), която представлява промяната на изходния електрически сигнал при изменение на мощността на светлината с 1 W и има измерение V/W, A/W илиW/W според вида на сигнала. Зависимостта на S от L се нарича спектрална характеристика. Спектралният максимум е дължината на вълната l0, при която се получава най-голямата стойност S0. В зависимост от l0 съществуват сензори за ултравиолетовата област (UV Sensor), сензори за видимата област (Visible Sensor) и сензори за инфрачервената област (IR Sensor).
Обхватът на оптичните сензори е от няколко см до 1000 м, а времето за реакция от няколко десетки ms до няколко десетки ms. Ако приемем, че когато обектът се отдалечава от сензора, измереното разстояние е А, а когато се приближава В, то обикновено А > В, а разликата Dl = А - В е параметърът хистерезис на сензора. Малки стойности на Dl се препоръчват при обекти с добро отражение, както и за откриване на присъствието им при частично пресичане на лъча. Голям хистерезис е подходящ за големи обекти с малко отражение.

Структурни разновидности
В зависимост от структурата си, оптичните сезори се разделят на няколко вида - отражателни, дифузни, с фиксиран фокус и други. За нормалната работа на отражателните (рефлексни) сензори, трябва лъчът да е перпендикулярен на достатъчно гладка отразяваща повърхност. За избягване на това твърде строго изискване се използват специални отражатели или отражателни ленти, които позволяват работа при отклонение на лъча до 15о от перпендикуляра. Като недостатък при този вид сензори може да се посочи вероятността обекти с добро отражение да задействат сензора поради попадащата в тях околна светлина. Тази опасност се избягва при поляризационните отражателни сензори, чийто принцип на действие е илюстриран на фиг. 1а и фиг. 1б. Лъчът от предавателя преминава през поляризационния филтър F1, след което светлината е само хоризонтално поляризирана. При липса на обект (фиг. 1а) отражателят деполяризира светлината, тя преминава през филтъра F2 и след това като е вертикално поляризирана, се улавя от приемника. Когато на пътя на лъча попадне обект (фиг. 1б), отражението е от него, но без поляризация. В резултат отразената светлина не може да премине през F2. Същото се отнася и за нежелано отразената светлина от съседни предмети, поради което тези сензори са значително по-надеждни от рефлексните и са особено подходящи за регистриране на сравнително големи обекти върху конвейер.
Друг вид са дифузните сензори, при които лъчът се отразява от самия обект. Използват се когато не е възможно монтиратето на отражател. Наименованието им произтича от факта, че в общия случай обектът е тяло (а не равнина), което отразява в различни посоки и само малка част от отразената светлина достига до приемника. Поради тази причина обхватът им силно зависи от отражателната способност на обекта и затова стойността му като параметър се задава за точно определен обект. За намаляване на влиянието на околната светлина или отразената от други предмети са създадени няколко разновидности на дифузните сензори. Дифузните сензори с потискане на околната светлина имат два приемника. Единият регистрира отразената светлина при наличие на обект, а другият - тази при неговото отсъствие. При сензорите с фиксиран фокус обектът трябва да попадне във фокуса на предавателя, за да бъде регистриран, тъй като отразената от него светлина е твърде слаба. Този тип сензори намират приложение при малки обекти и за разпознаване на маркировки. Друга разновидност са широкоъгълните дифузни сензори, характеризиращи се с голям пространствен ъгъл на излъчване. Във възможностите им е регистрирането на неточно разположени обекти, такива с дефекти или с нееднородна повърхност.
Секционните сензори излъчват в определен равнинен ъгъл, а приемникът представлява наредени в една линия фотоприемници. В зависимост от положението на края на обекта към приемника се отразява точно определена част от лъча. По този начин може да се контролира, например, положението на движеща се лента. Сензорите с преминаващ лъч са особено подходящи за броене на преминаващи обекти. Сред предимствата им са възможностите за работа с голям запас, както и сигурната работа при значителни замърсявания, независимост от отразената околна светлина и голям обхват. В случаите когато в мястото около преминаващия обект не е възможно монтирането на оптичен сензор (поради ограничено пространство, висока температура, опасност от силни удари и вибрации), се използват фибро-оптични сензори, при които фибро-оптични нишки довеждат светлината от предавателя до обекта и, съответно, отразената или преминала светлина - до приемника.

Сензори за изображения
В случаите когато в производствения процес се налага последователно или едновременно регистриране на изображения, принтмаркери или текстури, могат да се използват устройства, съставени от различни сензори, всеки от които отговаря за наличието на определен детайл. Но често тези детайли са трудни за разпознаване от обикновените оптични сензори, поради сливане на техния цвят с общия фон на продукта. Освен това, процесът на закупуване и инсталиране на множество сензори, които могат да бъдат необходими за по-сложните приложения, е неудобно или икономически неизгодно. Това налага употребата на сензори, специално предназначени за регистриране на изображения.
Сензорите за изображение съдържат оптична система, която фокусира отразената от инспектирания етикет или маркер светлина. Изображението на продукта се състои от множество пиксели, чиято яркост се съхранява под формата на аналогов сигнал, пропорционален на мощността на светлината от съответната точка на изображението. След това информацията се цифровизира от ADC (аналогово-цифров преобразувател - АЦП) и обикновено се показва като 8-битово (монохромно) изображение. Изображението се обработва от специален софтуер, състоящ се от механизми за управление, потребителски графичен интерфейс, инструменти и алгоритми. След обработката на сигнала, тестов инструмент оценява резултатите от останалите инструменти и излъчва съответния сигнал за успешно или неуспешно преминаване на инспекцията на конкретното изображение. Резултатите се предават към управлението на поточната линия чрез дискретни изходи, серийна връзка или Ethernet порт и задействат външни устройства, например направляващи прегради, които отклоняват дефектните изделия. Ключово значение за работата с този тип сензори има употребата на правилното осветление, което трябва да може да създаде оптимален контраст между изображението и фона на проследявания обект. Възможни са много различни варианти за настройка на осветлението, така че при фотоелектричното наблюдение да изпъкнат максимално разликите в цвят, текстура или форма.

Контрастни сензори
Сензорите за контраст отчитат разликата в контраста между присъствието и отсъствието на даден обект или маркер. Предлагат се с разнообразие от големини на светлинното петно. Много сензори за контраст използват червен или зелен LED източник на светлина (често и двата). Различните цветове поемат различни количества светлината, и поради тази причина е необходимо да се подбере светлинен източник с такава дължина на вълната, която да предоставя най-голям контраст за даденото приложение. Сензорите, които осигуряват както червен, така и зелен източник на светлина, предлагат по-голяма степен на гъвкавост, но изискват определен избор на един или друг източник на светлина по време на работа. Обикновено превключването между двата светлоизточника се осъществява автоматично.
Като най-подходящ светлинен източник специалистите посочват широкоспектърната бяла светлина. Този тип сензори предлагат най-добра диференциация на всички цветни нюанси на маркера и фона, а също и възможност за бърза промяна в настройките чрез коригиране на праговата стойност на цвета при смяна на продуктовата линия.

Сензори за цвят
Тези сензори имат способността да разделят отразената от маркера светлина на съставните й червени, зелени и сини компоненти, всеки от които след това се оценява, за да се определи дали е в границите на допустимите отклонения за нормираните цветови характеристики. Ефективни са в мониторинга на цветова наситеност в приложения като производство на текстил, пластмаси и други непрекъснати процеси. Времето за реакция на тези сензори може да бъде по-малко от 300 микросекунди, а размерът на петното им да варира.
Разновидност са сензорите за цветни маркери, предназначени да откриват цветни маркери върху обекти при висока скорост. Обикновено нямат за задача да идентифицират определен цвят, а да реагират в промяна на цвета на фона и да предоставят дискретен изходен сигнал за указване на присъствието на маркера. Петното на лъча им е кръг с размер




ЕКСКЛУЗИВНО

Top