Vi sorterer gjennom teknologivalgene for nærhets- og avstandssensorer

Bruken av nærhets- og avstandssensorer for å detektere tilstedeværelsen av og plasseringen til gjenstander uten fysisk kontakt, kan være et viktig aspekt forbundet med å styre industrielle prosesser som materialhåndtering, landbruksmaskiner, produksjons- og monteringsoperasjoner og emballasje for mat, drikke og legemidler.

Disse sensorene er tilgjengelige ved å bruke en rekke teknologier, for eksempel fotoelektrisk, laser, induktiv, kapasitiv, magnetisk og ultralyd. Når det beste valget for et gitt bruksområde skal bestemmes, må faktorer som rekkevidde, størrelse, nøyaktighet, følsomhet, oppløsning og kostnader tas i betraktning.

En nøkkelfaktor i mange bruksområder er materialet til gjenstanden som skal detekteres. Noen sensorer oppfører seg annerledes med harde kontra fibrøse overflater, og andre sensorer kan påvirkes av fargen eller refleksjonsevnen til en gjenstand.

Denne artikkelen gjennomgår allment tilgjengelige teknologier rundt berøringsfrie nærhetssensorer, og ser på hvordan de fungerer, de grunnleggende ytelsesegenskapene og eksempelsensorer fra SICK, i tillegg til noen tiltenkte bruksområder.

Fotoelektriske sensorer

Fotoelektriske sensorer, for eksempel W10 fotoelektriske nærhetssensorer fra SICK, er enkle å bruke og installere, og de er tilgjengelige med en rekke funksjoner som er egnet for en rekke utrustninger. Den robuste utformingen til W10-sensorene gjør dem egnet for nøyaktig gjenstandsdeteksjon i utfordrende omgivelser. Den integrerte berøringsskjermen fremskynder parameterinnstilling og sensordistribusjon (figur 1).

Figur 1: Berøringsskjermen på disse fotoelektriske sensorene kan fremskynde idriftsetting og distribusjon. (Bildekilde: SICK)

Tilgjengelige seminarer (teach-ins) gjør det mulig for konstruktører å tilpasse disse sensorene til spesifikke utrustningskrav. I tillegg betyr integrerte funksjoner som hastighetsinnstillinger, standard- og presisjonsmålemoduser og forgrunns- og bakgrunnsundertrykkelse, at en enkelt sensor kan brukes i en rekke utrustninger. Sensorserien inkluderer fire varianter, som har forskjeller i driftsavstander og monteringsalternativer.

Bakgrunnsdemping

Fotoelektriske nærhetssensorer med bakgrunnsundertrykkelse (BGS – background suppression) bruker triangulering mellom sender- og mottakerelementene. Signaler fra gjenstander bak det angitte sensorområdet undertrykkes. I tillegg ignorerer BGS-teknologien fra SICK svært reflekterende gjenstander i bakgrunnen, og den kan håndtere vanskelige omgivelseslysforhold.

Bakgrunnsdemping er spesielt nyttig når målgjenstanden og bakgrunnen (for eksempel et transportbånd) har lignende refleksjonsevne, eller hvis bakgrunnsreflektiviteten er variabel og kan forårsake forstyrrelser i deteksjonen.

Forgrunnsundertrykkelse

Fotoelektriske nærhetssensorer med forgrunnsundertrykkelse (FGS – foreground suppression) kan detektere gjenstander i en definert avstand. Alle gjenstander mellom sensoren og deteksjonsavstanden (satt til bakgrunnen) detekteres. For å sikre pålitelig deteksjon, må bakgrunnen være relativt lys og ikke variere i høyde.

Når gjenstander befinner seg på en reflekterende overflate, for eksempel et hvitt eller lyst transportbånd, kan forgrunnsundertrykkelse forbedre deteksjonen. I stedet for å detektere lys som reflekteres fra gjenstanden, detekterer sensoren gjenstanden ved hjelp av fraværet av lys som reflekteres av transportbåndet.

Retroreflekterende

I en retroreflekterende sensor treffer det emitterte lyset en reflektor, og det reflekterte lyset evalueres av sensoren. Feil kan minimeres ved å bruke polariseringsfiltre. Strekkfilm og plastomslag som er gjennomsiktige kan forstyrre disse sensorene. Redusert sensorfølsomhet kan bidra til å få bukt med disse utfordringene. I tillegg kan utskifting av standard IR-lysemittere med lasere åpne opp for lengre deteksjonsavstander og høyere oppløsning.

Retroreflekterende sensorytelse kan forbedres ved å bruke en koblingshysterese som er lavere enn normalt. I disse konstruksjonene kan selv minimal lysdemping mellom sensoren og reflektoren, for eksempel forårsaket av glassflasker, detekteres på en pålitelig måte. SICK tilbyr også et overvåkingssystem kalt AutoAdapt, som kontinuerlig regulerer og tilpasser koblingsterskelen som respons på den gradvise oppbyggingen av forurensning som kan føre til svikt i sensorsystemet.

Gjennomgående lysstråle

I motsetning til retroreflekterende sensorer, bruker sensorer for gjennomgående stråler to aktive enheter: en avsender og en mottaker. Deteksjon som bruker gjennomgående stråler muliggjør lengre sensordistanser. Utskifting av IR-emittere med laserdioder kan ytterligere forbedre deteksjonsavstanden, samtidig som høy oppløsning og presis deteksjon opprettholdes.

Fiberoptikk

Fiberoptiske sensorer er en variant av konstruksjonen med gjennomgående stråler. I en fiberoptisk fotoelektrisk sensor plasseres både senderen og mottakeren i én enkel kapsling. Separate fiberoptiske kabler brukes av senderen og mottakeren. Disse sensorene er spesielt egnet for bruk i høytemperaturutrustninger og i farlige og tøffe miljøer.

Fotoelektriske sensormatriser

RAY26 Reflex Array-familien av fotoelektriske sensorer, slik som 1221950-modellen, muliggjør pålitelig gjenstandsdeteksjon av flate gjenstander, i tillegg til rask idriftsetting. Når de kombineres med en reflektor, detekterer de fotoelektriske sensorene også små, flate, gjennomsiktige eller ujevne gjenstander så små som 3 mm. Innenfor en matrise med 55 mm høyt ensartet lys detekterer sensorene forkanten av gjenstanden. Dette betyr at selv perforerte objekter kan detekteres på en pålitelig måte uten komplisert kobling (svitsjing) (figur 4).

Figur 2: Fotoelektriske sensormatriser kan detektere gjenstander så små som 3 mm i et 55 mm høyt felt. (Bildekilde: SICK)

Laser-avstandssensorer

Utviklere av utrustninger som nivåovervåking i lagringsbeholdere, posisjonsdeteksjon av gjenstander på transportbånd, XY-posisjon for aksen i automatiserte gaffeltrucksystemer, vertikal posisjonering av kraner i lagerhus og overliggende transportbånd og diameterovervåking under spolevikling, kan bruke DT50-laseravstandssensorer. Disse sensorene støtter avstandsmålinger med flyvetid (ToF – time of flight) på opptil flere meter ved hjelp av reflektert laserlys for å gi immunitet mot omgivelsesbelysning, samt presis og pålitelig drift.

For eksempel har DT50-2B215252 en rekkevidde på 200 til 30 000 mm og flere spesialfunksjoner, deriblant:

• Robust hus med kapslingsklasse IP65 og IP67
• Kan gi opptil 3000 avstandsmålinger per sekund
• Minimum responstid på 0,83 ms
• Kompakte hus støtter en rekke utrustninger, fra industriroboter til måling av fyllhøyder i lagringsbeholdere

Høyoppløselige målinger ved hjelp av statistikk

High-Definition Distance Measurement Plus (HDDM+) er en ToF-målingsteknologi med høy oppløsning som kan brukes i sensorer for laseravstand og lysdeteksjon og avstandsmåling (LiDAR – light detection and ranging). I motsetning til sensorteknologier med enkeltpuls eller fasekorrelasjon, er HDDM+ en statistisk måleprosess.

Sensorprogramvaren evaluerer statistisk ekkoene fra flere laserpulser for å filtrere ut interferens fra kilder som glassruter, tåke, regn, støv, snø, løv, gjerder og andre gjenstander, for å beregne avstanden til det tiltenkte målet. Den resulterende avstandsmålingen kan ha et høyt sikkerhetsnivå, selv under utfordrende omgivelsesforhold (figur 5).

Figur 3: HDDM+-programvaren fra SICK bruker en statistisk evalueringsprosess for å eliminere «støy» fra elementer som glassruter, tåke, regn, støv, snø, løv og gjerder. (Bildekilde: SICK)

Typiske bruksområder for HDDM+-teknologien omfatter avstandsmåling for kvalitetskontroll i elektronikkproduksjon, LiDAR flerdimensjonal gjenstandsdeteksjon og posisjonsbestemmelse innen mekanikk og anleggsteknologi, og fastsettelse av posisjonen til industrielle kraner eller kjøretøy.

Sensorområdet for HDDM+-sensorer er opptil 1,5 km på retroreflekterende tape. For eksempel har DT1000-S11101-modellen en rekkevidde på opptil 460 m, med en typisk målenøyaktighet på ±15 mm for naturlige gjenstander og en justerbar oppløsning fra 0,001 til 100 mm.

Induktiv

Induktive nærhetssensorer som IME-serien fra SICK kan detektere jernholdige og ikke-jernholdige metallgjenstander. Disse sensorene består av en induktor-kondensator (LC)-resonanskrets som genererer et høyfrekvent alternerende elektromagnetisk felt. Feltet dempes når en metallgjenstand kommer inn i deteksjonsområdet. Dempingen detekteres av signalevalueringskretsen og en forsterker som produserer utgangssignalet (figur 4).

Figur 4: En grunnleggende induktiv nærhetssensor består av en LC-krets som produserer et alternerende felt, en signalevaluator og en forsterker. (Bildekilde: SICK)

To viktige spesifikasjoner for deteksjonsavstanden til flere nærhetssensorteknologier, er den nominelle sensoravstanden (Sn) og den sikrede sensoravstanden (Sa). «Sn» tar ikke hensyn til produksjonstoleranser eller ytre påvirkninger som driftstemperatur. «Sa» tar hensyn til både produksjonstoleranser og variasjoner i driftsforhold. Sa er vanligvis rundt 81 % av verdien til Sn. For eksempel, for den induktive sensormodellen IME08-02BPSZT0S, er Sn 2 mm og Sa er 1,62 mm.

Kapasitiv deteksjon

I likhet med induktive sensorer, bruker kapasitive nærhetssensorer en oscillator. I dette tilfellet brukes en åpen kondensator, der den aktive elektroden i sensoren produserer et elektrostatisk felt relativt til jord. Disse sensorene kan detektere tilstedeværelsen av et bredt spekter av materialer, inkludert metalliske og ikke-metalliske gjenstander.

Når en gjenstand kommer inn i det elektrostatiske feltet, endres amplituden til oscillasjonene i resonanskretsen basert på de dielektriske egenskapene til materialet. Signalevaluatoren detekterer denne endringen, og en forsterker produserer utgangssignalet (figur 5).

Figur 5: I en kapasitiv nærhetssensor produserer en oscillerende krets et elektrostatisk felt som endrer egenskaper når målet som skal detekteres kommer inn i feltet. (Bildekilde: SICK)

I likhet med induktive nærhetssensorer, er det flere spesifikasjoner relatert til deteksjonsavstanden til kapasitive nærhetssensorer, inkludert Sn, Sa og en reduksjonsfaktor. For eksempel har CM12-08EBP-KC1-modellen en Sn på 8 mm og en nominell Sa på 5,76 mm.

Gjenstanden som skal detekteres må være minst like stor som sensorflaten, og deteksjonsavstanden varierer med reduksjonsfaktoren til materialet. Reduksjonsfaktorer er relatert til dielektrisitetskonstanten til materialet og kan variere fra 1 for metaller og vann til 0,4 for polyvinylklorid (PVC), 0,6 for glass og 0,5 for keramikk.

Magnetikk

Magnetiske nærhetssensorer responderer på tilstedeværelsen av en magnet. Magnetiske nærhetssensorer fra SICK bruker to deteksjonsteknologier:

• GMR-sensorer (GMR – giant magneto resistive) er basert på motstander som endrer verdi i nærvær av et magnetfelt. En wheatstonebro brukes til å detektere endringen i motstand og til å produsere et utgangssignal. MZT7-sylindersensorene, for eksempel MZT7-03VPS-KP0 som er utviklet for bruk med sylindere med T-spor, bruker GMR-teknologi til å detektere stempelposisjonering i pneumatiske drivenheter og i andre lignende utrustninger.
• LC-teknologien bruker en resonanskrets som resonerer med liten amplitude. Hvis et eksternt magnetfelt nærmer seg, økes resonansamplituden. Økningen detekteres av en signalevaluator og en forsterker som produserer utgangssignalet (figur 6). MM08-60APO-ZUA-enheten har en Sn på 60 mm og en Sa på 48,6 mm.

Figur 6: I en magnetisk nærhetssensor kan feltproben bruke GMR- eller LC-teknologi. (Bildekilde: SICK)

Ultralydsensorer

For gjenstander opptil 8 m unna, kan teknikere velge å bruke ultralydsensorer som UM30-familien fra SICK. Disse sensorene har integrert temperaturkompensasjon for å forbedre målenøyaktigheten og gi fargeuavhengig gjenstandsdeteksjon, støvimmunitet og drift i opptil +70 °C. De måler avstander basert på ToF-teknologi, der avstanden er lik lydhastigheten multiplisert med den totale akustiske flytiden (ToF) (t₂), der totalen er dividert med 2 (figur 6).

Figur 7: Ultralydsensorer kan måle avstand basert på den totale flyvetiden (t₂) til lydbølgene. (Bildekilde: SICK)

Ultralydsensorer som UM30-212111-modellen er egnet for bruksområder som overvåking av tomme beholdere. En intern temperaturmonitor produserer en målenøyaktighet på ±1 %. Disse fargeuavhengige sensorene kan detektere gjenstander som er vanskelige å skille ut, selv i nærvær av smuss og støv.

Konklusjon

Den gode nyheten er at det er et bredt spekter av teknologier forbundet med nærhets- og avstandssensorer. Det betyr at det finnes en løsning for alle bruksområder. Utfordringen er å sortere gjennom de mange valgene og finne den optimale løsningen for deteksjon av spesifikke materialer under faktiske bruks- og driftsforhold.