Czujniki optyczne i zbliżeniowe

W ofertach firm z branży automatyki oprócz prostych wersji czujników zamieniających mierzoną wielkość lub cechę fizyczną na sygnał elektryczny można również znaleźć wersje zintegrowane, np. z przetwornikami. Ich bardziej zaawansowane modele stanowią czujniki inteligentne (Smart Sensors), które bazują na mikroprocesorach lub dedykowanych układach scalonych.

Czujniki optyczne

W zautomatyzowanych aplikacjach przemysłowych zmysł wzroku jest zastępowany przez komponenty optyczne. Ich najprostszą formę stanowią czujniki optyczne, które pozwalają na wykrywanie obiektów oraz ich cech fizycznych. Zasada działania wspomnianych sensorów opiera się na bezkontaktowym pomiarze. Dokonując klasyfikacji czujników można wziąć pod uwagę kryteria różnego typu. Jednym z nich jest rodzaj zastosowanego światła. Może to być podczerwień, laser lub światło widzialne. Częstokroć za jego źródło służą diody LED, najczęściej w kolorze białym.

Innym kryterium może być zasada działania. Tu można wyróżnić czujniki refleksyjne, odbiciowe czy bariery. Wyróżnikiem tych ostatnich jest rozdzielność nadajnika i odbiornika, czego naturalną konsekwencją jest umieszczenie ich w oddzielnych obudowach. Aby badany obiekt został wykryty musi znaleźć się pomiędzy nimi. Czujniki odbiciowe mają emiter i odbiornik w jednej obudowie, a ich zasada działania jest niezwykle prosta. Sensor oczekuje na wyemitowane przez siebie wiązki światła, które odbijają się od badanych obiektów. Czujniki refleksyjne wymagają precyzyjniejszego montażu, ale są bardziej uniwersalne. Nie są wrażliwe na kolor badanego obiektu, a ponadto o wiele mniejszy wpływ na ich skuteczność ma przeźroczystość obiektu. Charakteryzują się większym zasięgiem niż czujniki odbiciowe. Również w przypadku czujników refleksyjnych nadajnik i odbiornik znajdują się we wspólnej obudowie, jednak reflektor umieszczany jest na końcu obszaru roboczego.

Ciekawą grupę czujników optycznych stanowią sensory luminescencyjne. Najczęściej bazują one na ultrafioletowym źródle oświetlenia. Czujniki tego typu umożliwiają detekcję przedmiotów o powierzchni luminescencyjnej. Typowym zastosowaniem wspomnianych sensorów jest wykrywanie oznaczeń fluorescencyjnych niewidocznych dla ludzkiego oka. Czasami zasadne jest ukrycie znaczników, które stanowią zabezpieczenie lub znajdują zastosowanie wyłącznie na etapie produkcji. Czujniki luminescencyjne są chętnie wykorzystywane w przemysłach ceramicznym i farmaceutycznym. Zaletą metody pomiaru, którą wykorzystują omawiane sensory, jest brak problemów związanych ze zjawiskiem interferencji świetlnych oraz odbijaniem od błyszczących lub szklanych powierzchni.

Czujniki optyczne pozwalają zbadać wiele cech fizycznych obiektów. Wyzwanie dla nich mogą stanowić trudne do oceny powierzchnie i materiały połyskujące lub zmienne warunki oświetleniowe. Na szczęście postęp technologiczny i dla takich problemów znajduje rozwiązania. Odpowiednie algorytmy są najczęściej implementowane z użyciem wspomnianych wcześniej czujników inteligentnych.

Jednym z najpopularniejszych typów czujników wizyjnych są sensory koloru, których zasada działania opiera się na porównywaniu parametrów odbitego promieniowania z wartościami wzorcowymi. Za przykład może posłużyć seria sensorów FS 100 z portfolio firmy Stoltronic, czujniki te umożliwiają modyfikację tolerancji koloru oraz kompensację światła zewnętrznego. Oprócz koloru można również badać kontrast. Stąd kolejnym typem czujników wizyjnych, które można wyróżnić wśród bogatej ich gamy są sensory kontrastu, które wykrywają ustalone elementy i znaczniki na badanej powierzchni. Przykładowym komponentem wykorzystującym ten sposób jest produkt firmy Panasonic LX-100. Wyróżnia go automatyczny dobór źródła oświetlacza.

Kolejne typy czujników wizyjnych to czujniki jasności oraz odcieni szarości, których zasada działania opiera się na wykrywaniu pól o różnych odcieniach na badanej powierzchni. Przykładem może być czujnik skali szarości IVU2PRG1 z portfolio firmy Turck, który w pamięci wewnętrznej rejestruje do 30 inspekcji. Wśród sensorów wizyjnych można wyróżnić czujniki fotoelektryczne. Gdy na drodze między nadajnikiem i odbiornikiem, w wyniku zmiany natężenia światła, zostaje wykryty obiekt, dochodzi do zmiany określonej wielkości elektrycznej. Dzięki takiemu działaniu można dokonywać detekcji różnych elementów.

Dużą grupę czujników wizyjnych stanowią sensory laserowe. Umożliwiają one pomiar odległości do badanego obiektu, znajdują także zastosowanie w wykrywaniu profilu geometrycznego przedmiotu poddawanego analizie. Za pomocą opisywanych sensorów można dokonywać detekcji obiektów, sprawdzać ich kontury i wykrywać szczeliny. Jednym z takich czujników jest produkt z portfolio firmy Siemens – SIMATIC MV230. Jest stosowany do sprawdzania położenia elementów, które jest realizowane na podstawie analizy konturu lub profilu geometrycznego. Wyróżnikiem optycznych czujników laserowych jest emitowanie wąskiej wiązki, co umożliwia wykrywanie bardzo niewielkich elementów oraz precyzyjne ich pozycjonowanie. Dzięki widocznej wiązce laserowej łatwo jest odpowiednio zamontować i ustawić czujnik. Kolejną zaletą sensorów laserowych jest możliwość osiągania stosunkowo dużych zasięgów. Jest to możliwe dzięki charakterystyce źródła.

Dobierając czujnik optyczny do konkretnej aplikacji, należy wziąć pod uwagę jego zasadę działania, a co się z tym wiąże – jego typ. Ważnymi parametrami, które stanowią kryteria wyboru konkretnej serii i modelu są: napięcie, dopuszczalna temperatura pracy, stopień ochrony. Ponadto istotny jest maksymalny zakres działania, możliwy sposób montażu, wymiary zewnętrzne, kształt oraz materiał obudowy czujnika. Wśród rodzajów przyłączy oferowanych przez producentów sensorów wizyjnych można wyróżnić przewody o różnych długościach, wielopinowe wtyczki oraz gniazda.

Zastosowanie czujników optycznych stanowi szeroko pojęta kontrola. Składa się na nią weryfikowanie kolejnych etapów procesów produkcyjnych oraz sprawdzanie jakości półproduktów oraz produktów końcowych. Typowe zastosowania omawianego typu czujników stanowią: identyfikacja obiektów na różnego typu transporterach, kontrola poziomu cieczy i materiałów sypkich w rurociągach i zbiornikach, kontrola położenia elementów ruchomych maszyn i urządzeń oraz ich zliczanie, kontrola cech fizycznych obiektów znajdujących się na transporterach, weryfikacja zgodności produktów końcowych z wzorcem – badanie ich komplementarności oraz jakości wykonania. Częstokroć czujniki optyczne są elementem układów bezpieczeństwa – kontrolują i zabezpieczają strefy pracy maszyny oraz poprawność zamknięcia osłon i drzwi, które stanowią elementy zabezpieczające wszelkiego typu maszyn i urządzeń.

Czujniki optyczne mają bardzo szerokie zastosowanie w przemyśle i są niezwykle w nim rozpowszechnione. Mają jednak spore ograniczenie w postaci podatności na zabrudzenia i zanieczyszczenia. Ponadto dla sprawnego działania czujników optycznych należy pamiętać o zapewnieniu odpowiednich warunków oświetleniowych, których niezmienność gwarantuje niezawodność w działaniu.

Zasada działania czujnika optycznego jest często powiązana z motywem wzorca. Badany obiekt jest porównywany do niego i na tej podstawie oceniana jest jego poprawność wykonania, komplementarność wszystkich elementów oraz jakość. Wiąże się z tym konieczność zapewnienia niezawodności źródła światła. W przypadku czujników inteligentnych odpowiednio dobrane algorytmy mogą w pewnym stopniu zredukować konieczność idealnego odwzorowania warunków oświetleniowych oraz środowiskowych.

Czujniki zbliżeniowe

Dużą grupę czujników w automatyce stanowią czujniki zbliżeniowe, które wyróżniają się niskim stopniem zużywania ze względu na brak bezpośredniego kontaktu z badanymi obiektami. W zależności od zastosowania i umiejscowienia czujnika zbliżeniowego, znaczenie dla jego trwałości i niezawodności działania ma rodzaj materiału, z którego zbudowany jest korpus i czoło czujnika oraz sposób wykonania jego przyłączy i przewodów. Wiąże się również z tym stopień ochrony sensora. Podczas doboru konkretnego modelu czujnika zbliżeniowego należy zwrócić uwagę na typ oferowanych wyjść, sposób montażu oraz wymagane zasilanie. Użyteczna może również okazać się sygnalizacja za pomocą diod LED, gotowości czujnika oraz jego statusu. W zdecydowanej większości modeli czujników zbliżeniowych jest to wyposażenie standardowe. W zależności od typu materiału, jego właściwości fizycznych oraz warunków środowiskowych, w których będzie pracował czujnik zbliżeniowy, należy dobrać jego odpowiedni typ.

Detekcja metali

Jednym z najpopularniejszych typów czujników zbliżeniowych są czujniki indukcyjne. Zasada działania opiera się na badaniu zmian parametrów obwodu magnetycznego, którego jest częścią. Podstawowym elementem czujnika indukcyjnego jest cewka. Przepływ prądu powoduje pojawienie się pola elektromagnetycznego oddziałującego na elementy metalowe, które znajdą się w obszarze obejmującym zasięg sensora. Układ elektroniczny czujnika rejestruje zmiany parametrów, które są spowodowane pojawieniem się obiektu w polu działania czujnika.

Jednym z podstawowych parametrów czujników indukcyjnych jest maksymalny zasięg działania, czyli maksymalna odległość od czoła czujnika do miejsca, w którym producent gwarantuje, że czujnik wykryje obiekt. Przy doborze konkretnego modelu czujnika indukcyjnego należy zwrócić szczególną uwagę na współczynniki, przez które należy przemnożyć wartość maksymalnego zasięgu działania, co odpowiada typowi materiału wykrywanych elementów. W zależności od zastosowania czujnika ważna może również okazać się maksymalna częstotliwość przełączania, która determinuje możliwość rejestrowania wszystkich zmian stanów w polu widzenia czujnika. Kolejny parametr, który opisuje czujnik to jego histereza – jej wielkość może mieć szczególne znaczenie w wybranych aplikacjach.

Czujniki indukcyjne mają podstawową wadę, która stanowi znaczne ograniczenie liczby aplikacji, w których mogą być zastosowane. Chodzi o rodzaj wykrywanych przez nie materiałów. Ze względu na zasadę działania sensor wykrywa wyłącznie elementy metalowe.

Zbliżeniowe czujniki indukcyjne znajdują szerokie zastosowanie w przemyśle. Jednym z nich jest nadzór nad prawidłową pracą maszyn i urządzeń. Ich ruchome części są wykrywane w trakcie ruchu. Tym samym odczytując na bieżąco stan czujników, można kontrolować ich pracę. Typowym zastosowaniem jest umieszczanie sensorów indukcyjnych w położeniach krańcowych urządzeń w celu sygnalizacji obecności ruchomych części maszyn we wcześniej ustalonych punktach. Kolejnym zastosowaniem jest kontrola obecności obiektów metalowych w danych punktach przestrzeni. Przykładowo można weryfikować obecność arkusza blachy w podajniku. Czujniki indukcyjne można również wykorzystać do kontrolowania jakości produkcji. Umożliwiają one badanie obecności wieczek, nakrętek czy kapsli na gotowych produktach umieszczonych na transporterach.

Wykrywacz niemetali

Kolejnym typem czujnika zbliżeniowego jest czujnik pojemnościowy. Jego główną zaletą jest możliwość wykrywania elementów metalicznych oraz niemetalicznych, co czyni go elementem uniwersalnym. Bez problemu można go zastosować do metalu, drewna, szkła, plastiku, materiałów sypkich i cieczy, tj. olej czy woda. Jest to główny wyróżnik zbliżeniowego czujnika omawianego typu. Zasada działania czujnika pojemnościowego polega na budowie kondensatora. Czoło sensora stanowi elektroda, która jest jedną z jego okładzin, drugą jest badany obiekt. Zbliżanie się czujnika do obiektu zmienia parametry kondensatora, dzięki czemu możliwa jest jego detekcja. Pojemność kondensatora zmienia się wraz ze zmianą odległości między jego dwoma okładzinami – czujnikiem i badanym obiektem. Ustalona odległość między nimi powinna być wprost proporcjonalna do stałej dielektrycznej materiału, z którego wykonany jest obiekt. Sensory pojemnościowe mają możliwość regulacji czułości, co pozwala dostosować jego działania do warunków środowiskowych – w zależności od modelu można tego dokonywać z użyciem potencjometru lub przycisku uczenia. Czujniki pojemnościowe można znaleźć w wersji pracującej przy napięciu stałym lub zmiennym, z wyjściem typu NO oraz NC.

Największą wadą czujników omawianego typu jest wrażliwość na zanieczyszczenia występujące między okładzinami kondensatora. Ponadto wpływ na ich działanie mają warunki środowiskowe, w szczególności wilgotność. Intensywność skutków tych wad rośnie wraz z oddalaniem badanego obiektu od czoła czujnika. W związku z występowaniem wskazanych wad czujniki pojemnościowe nie wyparły z rynku czujników indukcyjnych, których wrażliwość na wskazane cechy jest mniejsza, a co się z tym wiąże są chętniej stosowane do detekcji powierzchni metalowych.

Czujniki pojemnościowe znajdują zastosowanie w zbiornikach i opakowaniach do wykrywania obecności cieczy i materiałów sypkich oraz ich minimalnego i maksymalnego poziomu, do detekcji i zliczania elementów na transporterach, do wykrywania nieprawidłowości występujących w ich ułożeniu, do weryfikowania zawartości wszelkiego typu opakowań. Odbiorcami czujników pojemnościowych są najczęściej podmioty reprezentujące branżę szklarską, drzewną, papierniczą, chemiczną oraz tworzyw sztucznych.

Pole magnetyczne

Kolejnym typem czujników zbliżeniowych są czujniki magnetyczne. Wykrywają one obecność pola magnetycznego generowanego przez magnes. Jednym z rodzajów czujników magnetycznych są kontaktrony. Kontaktron składa się z dwóch blaszek umieszczonych w próżni lub gazie. Dzięki ich właściwościom ferromagnetycznym pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego dochodzi do pojawienia się na nich przeciwnych biegunów, w wyniku czego dochodzi do ich złączenia. W konsekwencji tego następuje zamknięcie obwodu elektrycznego, co jest impulsem do wystawienia na wyjście czujnika magnetycznego stanu sygnalizującego obecność elementu w zasięgu czujnika. Kontaktrony znajdują najczęściej zastosowanie w siłownikach. Sygnalizują jego wysunięcie i mogą stanowić formę kontroli prawidłowości jego działania.

Innym typem czujników magnetycznych jest czujnik Halla – hallotron. Jak sama nazwa wskazuje jego zasada działania bazuje na efekcie Halla, czyli pojawianiu się różnicy potencjałów w przewodniku w momencie umieszczenia go w polu magnetycznym. Omawiane typy czujników mają mniejszy czas reakcji od wspomnianych wcześniej kontaktronów.

Zaletą zbliżeniowych czujników magnetycznych jest wysoka odporność na zakłócenia oraz zabrudzenia pojawiające się w polu działania czujnika. Wynika to z charakterystyki pola magnetycznego. Ponadto ich stosunkowo prosta budowa ogranicza znacząco ryzyko uszkodzenia układów elektronicznych. Należy pamiętać o konieczności stosowania magnesu na ruchomym elemencie, bez którego czujnik nie będzie użyteczny. Jest to swego rodzaju wada tego typu sensorów. W przypadku typowego zastosowania w siłowniku najlepiej jest dobrać tak korpus czujnika magnetycznego, aby był on odpowiednio przystosowany do montażu. Najczęściej czujniki umieszcza się w rowkach typu C lub typu T. Innym zastosowaniem sensorów magnetycznych jest kontrola zamknięcia osłon maszyn i urządzeń w przemyśle. Mogą one również wykrywać obiekty znajdujące się za ściankami zbiorników, rur i pojemników zbudowanych np. z aluminium lub tworzywa sztucznego.

Ultradźwięki

Kolejną grupą czujników zbliżeniowych są czujniki ultradźwiękowe. Ich zasada działania opiera się na pomiarze czasu między emisją a odbiorem sygnału ultradźwiękowego. Na tej podstawie oceniana jest odległość między czujnikiem a badanym obiektem.

Niewątpliwą zaletą sensorów ultradźwiękowych jest ich niezależność od typu materiału, jego wyglądu, koloru, przejrzystości oraz innych właściwości fizycznych. Przykładowo czujniki ultradźwiękowe umożliwiają detekcję obiektów z przeźroczystego tworzywa sztucznego. Ponadto użycie omawianego typu czujnika umożliwia bezproblemowe wykrywanie obecności elementu w trudnych warunkach środowiskowych. Zabrudzenia, zanieczyszczenia, lekkie zamglenia nie powodują niepoprawnego działania aplikacji, w której zastosowano czujnik ultradźwiękowy.

Kolejną zaletą sensorów ultradźwiękowych, wyróżniającą je od wcześniej omawianych typów czujników zbliżeniowych, jest zarówno możliwość detekcji elementów, jak i pomiaru odległości od czujnika do badanego obiektu. Umożliwiają to wyjścia przełączające oraz analogowe. W związku z tym można, oprócz kontroli obecności, za ich pomocą mierzyć poziom oraz wysokość i umiejscowienie elementów. Stąd liczne zastosowania czujników ultradźwiękowych w przemyśle. Można je wykorzystać do badania poziomu napełniania zbiornika cieczą lub materiałami sypkimi, sprawdzania zapełnienie podajnika surowcami czy materiałami lub do strefy odbioru gotowych produktów, kontrolowania jakości produkcji. Przykład tego ostatniego może stanowić badanie napełniania pojemnika produktem.

Wadą czujników ultradźwiękowych jest uzależnienie dokładności pomiaru od temperatury i ciśnienia oraz od warunków środowiskowych, w których jest on dokonywany – mają one znaczący wpływ na prędkość rozchodzenia się fal. Ośrodki, w których dochodzi do częstych zmian ciśnienia nie sprzyjają poprawności pomiarów czujników ultradźwiękowych. Ponadto zastosowanie jednego przetwornika, pełniącego rolę nadajnika i odbiornika, powoduje powstanie strefy martwej przed czołem czujnika, która zależy od czasu potrzebnego na przejście między jego trybami. Im jest on mniejszy, tym mniejsza jest strefa martwa.

Zasada działania czujników ultradźwiękowych przypomina zasadę działania czujników optycznych. Różni je medium wykorzystywane do pomiarów i wykrywania. Przy integracji systemu automatyki należy pamiętać o tym, że czujniki ultradźwiękowe wykrywają zarówno badane obiekty, jak i elementy maszyn i urządzeń, których są częścią. Wpływ na pomiar będzie miała struktura powierzchni badanego obiektu oraz kąt jego ustawienia. Dlatego kluczowe jest zmierzenie czasu, jaki mija od nadania ultradźwięku do jego odbioru, w przypadku braku obiektu w polu widzenia. Będzie on stanowił wzorzec, względem którego dokonywane będą pomiary. Każdy zmierzony czas mniejszy od wzorca z uwzględnieniem marginesu błędu będzie oznaczał pojawienie się obiektu w polu widzenia czujnika. Oczywiście badanie wzorca oraz późniejsze pomiary muszą być dokonywane w mocno zbliżonych warunkach środowiskowych. Najczęściej medium, w którego otoczeniu pracują czujniki ultradźwiękowe stanowi powietrze, jednak nic nie stoi na przeszkodzie, aby sensory omawianego typu zanurzyć w płynie, jeśli pozwala na to ich budowa i są do tego przeznaczone.

Za przykład czujników ultradźwiękowych może posłużyć rodzina produktów firmy Sick – UC30. Charakteryzuje je sześcienna obudowa z odpornego tworzywa sztucznego, przyciski ułatwiające konfigurację oraz zintegrowana kompensacja temperatury.

Podsumowanie

Podczas doboru odpowiedniego sensora spośród czujników zbliżeniowych należy przede wszystkim zadbać o trafny wybór jego typu. Jest to kluczowy etap procesu doboru. Następnie na podstawie oceny właściwości fizycznych badanych obiektów, warunków środowiskowych, w których będzie pracował sensor, technicznych możliwości montażu oraz podłączenia do obwodów elektrycznych należy dobrać konkretny model czujnika. Na jego wybór wpływ będzie miała również specyfika aplikacji oraz ewentualne wyróżniki np. w postaci obsługi odpowiednich interfejsów komunikacyjnych.

źródło: Automatyka 10/2020