Válogatás a közelség- és távolságérzékelő technikák széles választékában

Az ipari folyamatok, például az anyagmozgatás, a mezőgazdasági gépek, a gyártási és összeszerelési műveletek, valamint az élelmiszer-, ital- és gyógyszercsomagolás vezérlésében fontos szerep hárulhat a tárgyak jelenlétének és helyének fizikai érintkezés nélküli érzékelésre szolgáló közelség- és távolságérzékelőkre.

Ezek az érzékelők számos, többek között fotocellás, lézeres, indukciós, kapacitív, mágneses és ultrahangos technikát használó változatban kaphatóak. Egy adott felhasználási területre legjobb választás meghatározásakor olyan tényezőket kell figyelembe venni, mint a hatótávolság, a méret, a pontosság, az érzékenység, a felbontás és a költségek.

Számos felhasználási területen kulcsfontosságú tényező az érzékelendő tárgy anyaga. Egyes érzékelők másképp viselkednek a kemény, mint a bolyhos felületeken, más érzékelőket pedig befolyásolhat a tárgy színe vagy fényvisszaverő képessége.

Ez a cikk áttekinti a legelterjedtebb érintésmentes közelségérzékelő technikákat, megvizsgálja a működésüket, főbb teljesítményjellemzőiket, és példaként bemutatja a SICK cég néhány érzékelőjét, valamint néhány olyan felhasználási területet, ahová ezeket szánják.

Fotocellás érzékelők

A fotocellás érzékelők, például a SICK W10 fotocellás közelségérzékelői egyszerűen használhatók és telepíthetők, és különféle funkciókkal kaphatóak, így sokféle felhasználási területen hasznukat lehet venni. A W10 érzékelők strapabíró kialakításuk miatt kihívást jelentő környezetben is alkalmasak a tárgyak pontos érzékelésére. A beépített érintőképernyő felgyorsítja a paraméterek beállítását és az érzékelők telepítését (1. ábra).

1. ábra: A fotocellás érzékelők érintőképernyője felgyorsíthatja az üzembe helyezést és a telepítést (kép: SICK)

A rendelkezésre álló betanítóprogramok lehetővé teszik a tervezők számára, hogy ezeket az érzékelőket a felhasználási terület egyedi követelményeihez igazítsák. Ezenkívül az olyan beépített funkciók, mint a sebességbeállítások, a normál és a nagy pontosságú mérési módok, valamint az előtér- és háttérelnyomás azt jelenti, hogy egyetlen érzékelő számos felhasználási területen használható. Az érzékelő termékcsaládot négy változat alkotja, amelyek működési távolságuk és felszerelési módjuk tekintetében különböznek egymástól.

Háttérelnyomásos

A fotocellás háttérelnyomásos (BGS, background suppression) közelségérzékelők háromszögelést használnak az adó- és a vevőegységek között. A rendszer a beállított érzékelési tartományon túli objektumok jeleit elnyomja. A SICK háttérelnyomási technikája figyelmen kívül hagyja emellett a háttérben lévő erősen tükröző tárgyakat, és képes kezelni a bonyolult környezeti fényviszonyokat.

A háttér elnyomása különösen akkor hasznos, ha a céltárgynak és a háttérnek (például egy szállítószalagnak) hasonlóak a fényvisszaverő képességei, vagy ha a háttér fényvisszaverő képessége változó, ami zavarhatja az érzékelést.

Előtérelnyomásos

A fotocellás közelségérzékelők az előtér elnyomásával (FGS, foreground suppression) képesek meghatározott távolságban lévő tárgyakat érzékelni. A rendszer az érzékelő és (a háttérre beállított) érzékelési távolság közötti összes objektumot érzékeli. A megbízható érzékelés érdekében a háttérnek viszonylag világosnak kell lennie, és nem változhat a magassága.

Ha a tárgyak fényvisszaverő felületen, például fehér vagy világos színű szállítószalagon vannak, az előtérelnyomás javíthatja a felismerést. Ekkor a tárgyról visszaverődő fény érzékelése helyett az érzékelő a szállítószalagról visszaverődő fény hiánya alapján érzékeli a tárgyat.

Fényvisszaverős

A fényvisszaverős érzékelőben a kibocsátott fény egy fényvisszaverő elemre esik, és az érzékelő a visszavert fényt értékeli ki. A hibák polarizációs szűrők használatával minimálisra csökkenthetők. Az átlátszó csomagolófóliák és műanyag csomagolások megzavarhatják ezeket az érzékelőket. Az érzékelő érzékenységének csökkentése segíthet leküzdeni ezeket a nehézségeket. Ezenkívül a szabványos infravörös (IR – infrared) fénysugárzók lézerrel való helyettesítése nagyobb érzékelési tartományt és nagyobb felbontást tesz lehetővé.

A fényvisszaverős érzékelő teljesítménye a szokásosnál kisebb kapcsolási hiszterézissel javítható. Ezekkel a szerkezetekkel még az érzékelő és a fényvisszaverő elem közötti minimális fénycsillapítás is megbízhatóan érzékelhető, amelyet például az üvegpalackok okoznak. A SICK egy AutoAdapt nevű felügyeleti rendszert is kínál, amely folyamatosan szabályozza és a változásokhoz igazítja a kapcsolási küszöbértéket, reagálva a szennyeződés fokozatos felhalmozódására, amely az érzékelőrendszer meghibásodásához vezethet.

Átmenő fénysugaras

A fényvisszaverős érzékelőkkel ellentétben az átmenő fénysugaras érzékelők két aktív eszközt használnak: egy adó- és egy vevőegységet. Az átmenő fénysugaras érzékelés nagyobb érzékelési tartományokat tesz lehetővé. Az infravörös fénysugárzók lézerdiódákkal való helyettesítése tovább növelheti az érzékelési távolságot, miközben megtartja a nagy felbontást és a pontos érzékelést.

Száloptikás

A száloptikás érzékelők az átmenő fénysugaras készülékek egyik változata. A száloptikás fotocellás érzékelőben az adó és a vevő egyetlen házban van elhelyezve, de külön optikai kábeleket használ. Ezek az érzékelők különösen alkalmasak magas hőmérséklettel járó felhasználási területeken, valamint veszélyes és zord környezetben való használatra.

Fotocellás érzékelőtömbök

A fotocellás érzékelők RAY26 Reflex Array termékcsaládja, amilyen például a 1221950 jelű típus, lehetővé teszi a lapos tárgyak megbízható felismerését, valamint a gyors üzembe helyezést. Fényvisszaverő elemmel kombinálva a fotocellás érzékelők kis méretű (akár 3 mm-es), lapos, átlátszó vagy egyenetlen felületű tárgyakat is képesek érzékelni. Az érzékelők egy 55 mm magas, egyenletes fénytömbön belül érzékelik a tárgy elülső élét. Ez azt jelenti, hogy még a lyukacsos tárgyak is megbízhatóan, bonyolult kapcsolás nélkül felismerhetőek (4. ábra).

2. ábra: A fotocellás érzékelőtömbök akár 3 mm-es tárgyakat is képesek érzékelni egy 55 mm magas mezőben (kép: SICK)

Lézeres távolságérzékelők

Azok a tervezők, akik olyan feladatokra terveznek érzékelőket, mint a tárolókonténerek szintjének ellenőrzése, a szállítószalagokon lévő tárgyak helyzetének érzékelése, a tengely XY irányú helyzetének érzékelése automata targoncarendszerekben, a raktárakban lévő daruk és a felső futószalagok függőleges beállítása, valamint a tekercselés során az átmérő ellenőrzése, használhatják például a DT50 lézeres távolságérzékelőket. Ezek az érzékelők a visszaverődési idő (ToF, Time of Flight) mérésével végzett távolságmérés révén akár több méteres távolságig is használhatóak, a visszavert lézerfényt használva arra, hogy a környezeti fényviszonyoktól való mentességet, valamint pontos és megbízható működést tegyenek lehetővé.

A DT50-2B215252 típusú érzékelőnek például 200 mm és 30 000 mm (30 m) közötti a hatótávolsága, és számos különleges tulajdonsága van, többek között az alábbiak:

• erős ház IP65 és IP67 védettségi besorolással
• másodpercenként akár 3000 távolságmérést is képes elvégezni
• nagyon rövid, 0,83 ms-es válaszidő
• a kis méretű ház miatt a felhasználási területek széles skáláján használható az ipari robotoktól a tárolóedények töltési magasságának méréséig

Nagy felbontású mérések statisztikák felhasználásával

A HDDM+ (high-definition distance measurement plus, nagy felbontású távolságmérés plusz) egy a visszaverődési idő mérésén alapuló nagy felbontású mérési technika, amely lidaros (LiDAR: light detection and ranging, lézeres fényérzékelő és távolságmérő) érzékelőkben használható. Az egyimpulzusos vagy a fáziskorrelációs érzékelési technikával ellentétben a HDDM+ egy statisztikai mérési eljárás.

Az érzékelőszoftver a kívánt célpont távolságának kiszámításához statisztikailag értékeli több lézerimpulzus visszavert jelét, hogy kiszűrje az olyan forrásokból származó zavarokat, mint az üvegek, a köd, az eső, a por, a hó, a falevelek, a kerítések és egyéb tárgyak. Az így kapott távolságmérés még zord környezeti viszonyok között is nagyon megbízható eredményt ad (5. ábra).

3. ábra: A SICK HDDM+ szoftver statisztikai értékelési eljárást használ az olyan elemekből származó „zajok” kiküszöbölésére, mint az üvegablakok, a köd, az eső, a por, a hó, a falevelek és a kerítések (ábra: SICK)

A HDDM+ technika jellemző felhasználási területei közé tartozik az elektronikagyártás során végzett minőség-ellenőrzés, a lidaros többdimenziós objektumfelismerés és helyzetmeghatározás a gépészeti és gyártásszervezési területen, valamint az ipari daruk vagy járművek helyzetének meghatározása.

A HDDM+ érzékelők érzékelési tartománya fényvisszaverős szalagok esetében akár 1,5 km is lehet. A DT1000-S11101 típusú érzékelő hatótávolsága például 460 m-ig terjed, a természetes tárgyak mérési pontossága jellemzően ±15 mm, a felbontás pedig 0,001 mm és 100 mm között állítható.

Indukciós

Az indukciós közelségérzékelők, például a SICK IME sorozatú érzékelői a vas és nem vas fémtárgyakat érzékelik. Ezek az érzékelők egy tekercs-kondenzátor felépítésű (LC) rezonáns áramkörből állnak, amely nagyfrekvenciás váltakozó elektromágneses mezőt hoz létre. Amikor egy fémtárgy bekerül az érzékelési tartományba, az elektromágneses mező gyengül. A csillapítást (gyengülést) a jelkiértékelő áramkör és a kimenőjelet előállító erősítő érzékeli (4. ábra).

4. ábra: Egy alapszintű indukciós közelségérzékelő egy váltakozó elektromágneses mezőt előállító LC-áramkörből, egy jelkiértékelőből és egy erősítőből áll (ábra: SICK)

Több közelségérzékelő technika esetében az érzékelési távolságra vonatkozó két fontos jellemző a névleges érzékelési távolság (Sn) és a biztos érzékelési távolság (Sa). A névleges érzékelési távolság nem veszi figyelembe a gyártási tűréseket és a külső befolyásoló hatásokat, például az üzemi hőmérsékletet. A biztos érzékelési távolság figyelembe veszi mind a gyártási tűréseket, mind az üzemi feltételekben bekövetkező változásokat. A biztos érzékelési távolság jellemzően a névleges érzékelési távolság nagyjából 81%-a. Például az IME08-02BPSZT0S típusú indukciós érzékelő esetében a névleges érzékelési távolság Sn = 2 mm, a biztos érzékelési távolság pedig Sa = 1,62 mm.

Kapacitív

Az indukciós érzékelőkhöz hasonlóan a kapacitív közelségérzékelők is oszcillátort használnak. Ebben az esetben egy nyitott kondenzátor az érzékelőelem, ahol az érzékelő aktív elektródája elektrosztatikus teret hoz létre a földhöz képest. Ezek az érzékelők sokféle anyag jelenlétét képesek érzékelni, beleértve a fémes és nem fémes tárgyakat is.

Amikor egy tárgy bekerül az elektrosztatikus térbe, a rezgőkörben a rezgések amplitúdója az anyag dielektromos tulajdonságai alapján változik. A jelkiértékelő érzékeli a változást, míg a kimenőjelet egy erősítő állítja elő (5. ábra).

5. ábra: A kapacitív közelségérzékelőben egy oszcillátor-áramkör elektrosztatikus teret hoz létre, amelynek jellemzői megváltoznak, amikor az érzékelendő céltárgy bekerül az elektrosztatikus térbe (ábra: SICK)

Az indukciós közelségérzékelőkhöz hasonlóan a kapacitív közelségérzékelők érzékelési távolságára vonatkozóan is számos jellemző létezik, többek közt a fent említett névleges érzékelési távolság (Sn) és biztos érzékelési távolság (Sa), valamint a redukciós tényező. A CM12-08EBP-KC1 típusú érzékelő névleges érzékelési távolsága Sn = 8 mm, biztos érzékelési távolsága Sa = 5,76 mm.

Az érzékelendő tárgynak legalább akkorának kell lennie, amekkora az érzékelő felülete, és az érzékelési távolság az anyag redukciós tényezőjével is változik. A redukciós tényező az anyag dielektromos állandójához kapcsolódik, és széles határok között változhat, például a fémek és a víz esetében 1, polivinil-klorid (PVC) esetében 0,4, üveg esetében 0,6 és kerámia esetében 0,5 az értéke.

Mágneses

A mágneses közelségérzékelők egy mágnes jelenlétére reagálnak. A SICK mágneses közelségérzékelői két érzékelési technikát használnak:

• Az óriási mágneses ellenállású (GMR, giant magneto resistive) érzékelők olyan ellenállásokon alapulnak, amelyeknek az értéke mágneses tér jelenlétében megváltozik. Az ellenállás változásának érzékelésére és a kimenőjel előállítására egy Wheatstone-hidat használnak. Az MZT7 hengerérzékelők, mint például a T nyílású hengerekhez tervezett MZT7-03VPS-KP0 a GMR technikát használják a dugattyú helyzetének érzékelésére pneumatikus hajtásokban és hasonló felhasználási területeken.
• Az LC technika egy rezonáns áramkört használ, amely kis amplitúdóval rezonál. Ha külső mágneses tér közeledik az érzékelőhöz, a rezonanciaamplitúdó megnő. A növekedést egy jelkiértékelő érzékeli, míg a kimenőjelet egy erősítő állítja elő (6. ábra). Az MM08-60APO-ZUA típusú érzékelő névleges érzékelési távolsága Sn = 60 mm, biztos érzékelési távolsága Sa = 48,6 mm.

6. ábra: A mágneses közelségérzékelőben lévő térerő-érzékelő szonda GMR vagy LC technikát használhat (ábra: SICK)

Ultrahangos érzékelők

A legfeljebb 8 m távolságra lévő tárgyak esetében a tervezők használhatnak olyan ultrahangos érzékelőket, mint a SICK UM30 termékcsaládja. Ezek az érzékelők beépített hőmérséklet-helyesbítéssel vannak ellátva a mérési pontosság javítása érdekében, színfüggetlen tárgyérzékelést és porvédettséget kínálnak, és +70 °C-ig használhatóak. A távolságmérés a visszaverődési idő mérésén alapul, ahol a távolság egyenlő a hangsebesség és a teljes akusztikus visszaverődési idő (t₂) szorzata osztva 2-vel (6. ábra).

7. ábra: Az ultrahangos érzékelők a hanghullámok teljes visszaverődési ideje (t₂) alapján képesek távolságot mérni (ábra: SICK)

Az UM30-212111 típusúhoz hasonló ultrahangos érzékelők olyan felhasználási területekre alkalmasak, mint az üres tartályok ellenőrzése. A belső hőmérséklet-figyelő ±1%-os mérési pontosságot tesz lehetővé. Ezek a színfüggetlen érzékelők még szennyeződés és por jelenlétében is képesek a nehezen megkülönböztethető tárgyak érzékelésére.

Összegzés

A jó hír az, hogy a közelség- és távolságérzékelő technikák széles választéka áll rendelkezésre. Ez azt jelenti, hogy minden felhasználási terület követelményeire van megoldás. A kihívás a sokféle választási lehetőség között válogatni, és megtalálni a tényleges használati és működési körülmények között az adott anyagok érzékelésére optimális megoldást.