Sortering af valg af nærheds- og afstandssensorteknologi

Brug af nærheds- og afstandssensorer til at registrere tilstedeværelsen og placeringen af genstande uden fysisk kontakt kan være et vigtigt aspekt i styringen af industrielle processer som materialehåndtering, landbrugsmaskiner, fabrikations- og samleprocesser og emballering af fødevarer, drikkevarer og lægemidler.

Disse sensorer fås med en række forskellige teknologier, herunder fotoelektrisk, laser, induktiv, kapacitiv, magnetisk og ultralyd. Når man skal finde det bedste valg til en given applikation, skal faktorer som rækkevidde, størrelse, nøjagtighed, følsomhed, opløsning og pris tages i betragtning.

En vigtig faktor i mange anvendelser er materialet af det objekt, der skal registreres. Nogle sensorer opfører sig forskelligt på hårde og fibrøse overflader, og andre sensorer kan blive påvirket af objektets farve eller refleksionsevne.

Denne artikel gennemgår almindeligt tilgængelige berøringsfrie nærhedssensorteknologier og ser på, hvordan de fungerer, deres grundlæggende egenskaber og eksempler på sensorer fra SICK sammen med nogle tilsigtede anvendelser.

Fotoelektriske sensorer

Fotoelektriske sensorer, som W10 fotoelektriske nærhedssensorer fra SICK, er enkle at bruge og installere og fås med en række funktioner, der passer til mange forskellige anvendelser. W10-sensorernes robuste design gør dem velegnede til præcis objektregistrering i udfordrende miljøer. Den integrerede berøringsskærm gør det hurtigere at indstille parametre og anvende sensorer (figur 1).

Figur 1: Berøringsskærmen på disse fotoelektriske sensorer kan fremskynde idriftsættelse og implementering. (Billedkilde: SICK)

Tilgængelige teach-ins gør det muligt for designere at tilpasse disse sensorer til specifikke applikationskrav. Desuden betyder integrerede funktioner som hastighedsindstillinger, standard- og præcisionsmålingstilstande samt forgrunds- og baggrundsundertrykkelse, at en enkelt sensor kan bruges i en lang række applikationer. Sensorserien omfatter fire varianter, som adskiller sig i deres arbejdsafstande og monteringsmuligheder.

Undertrykkelse af baggrund

Fotoelektriske nærhedssensorer med baggrundsundertrykkelse (BGS) bruger triangulering mellem afsender- og modtagerelementerne. Signaler fra objekter bag det indstillede måleområde undertrykkes. Desuden ignorerer SICKs BGS-teknologi stærkt reflekterende objekter i baggrunden og kan håndtere vanskelige lysforhold i omgivelserne.

Baggrundsundertrykkelse er især nyttig, når målobjektet og baggrunden (f.eks. et transportbånd) har samme refleksionsevne, eller hvis baggrundens refleksionsevne er variabel og kan forårsage interferens med registreringen.

Undertrykkelse af forgrund

Fotoelektriske nærhedssensorer med forgrundsundertrykkelse (FGS) kan registrere objekter på en defineret afstand. Alle objekter mellem sensoren og sensorafstanden (indstillet til baggrunden) registreres. For at sikre pålidelig registrering skal baggrunden være relativt lys og må ikke variere i højden.

Når objekter befinder sig på en reflekterende overflade som et hvidt eller lyst transportbånd, kan forgrundsundertrykkelse forbedre registreringen. I stedet for at registrere lys, der reflekteres fra objektet, registrerer sensoren objektet ved fraværet af det lys, der reflekteres af transportbåndet.

Retroreflekterende

I en retroreflekterende sensor rammer det udsendte lys en reflektor, og det reflekterede lys evalueres af sensoren. Fejl kan minimeres ved at bruge polariserende filtre. Strækfilm og plastikindpakning, der er gennemsigtig, kan forstyrre disse sensorer. En reduktion af sensorfølsomheden kan hjælpe med at overvinde disse udfordringer. Desuden kan udskiftningen af standard IR-lysgivere med lasere muliggøre længere måleområder og højere opløsning.

Retroreflekterende sensorers ydeevne kan forbedres ved hjælp af en lavere koblingshysterese end normalt. I disse designs kan selv minimal lysdæmpning mellem sensoren og reflektoren, f.eks. forårsaget af glasflasker, registreres pålideligt. SICK tilbyder også et overvågningssystem kaldet AutoAdapt, der løbende regulerer og tilpasser koblingstærsklen som reaktion på den gradvise ophobning af forurening, der kan føre til fejl i sensorsystemet.

Gennemgående stråle

I modsætning til retroreflekterende sensorer bruger gennemstrålingssensorer to aktive enheder: en afsender og en modtager. Gennemgående stråle giver mulighed for længere rækkevidde. Udskiftning af IR-emittere med laserdioder kan yderligere øge sensorafstanden og samtidig opretholde høj opløsning og præcis registrering.

Fiberoptisk

Fiberoptiske sensorer er en variation af design med gennemgående stråler. I en fiberoptisk fotoelektrisk sensor er afsender og modtager samlet i et enkelt hus. Separate fiberoptiske kabler bruges af afsender og modtager. Disse sensorer er særligt velegnede til brug ved høje temperaturer og i farlige og barske miljøer.

Fotoelektriske sensor-arrays

RAY26 Reflex Array-familien af fotoelektriske sensorer som model 1221950 muliggør pålidelig objektdetektering af flade objekter samt hurtig idriftsættelse. Når de kombineres med en reflektor, kan de fotoelektriske sensorer også registrere små, flade, gennemsigtige eller ujævne objekter helt ned til 3 mm. Inden for et 55 mm højt, ensartet lysfelt registrerer sensorerne objektets forkant. Det betyder, at selv perforerede genstande kan registreres pålideligt uden kompleks omskiftning (figur 4).

Figur 2: Fotoelektriske sensorarrays kan registrere objekter så små som 3 mm i et 55 mm højt felt. (Billedkilde: SICK)

Laserafstandssensorer

Designere af applikationer som niveauovervågning i lagercontainere, positionsdetektering af objekter på transportbånd, XY-position af aksen i automatiserede gaffeltrucksystemer, vertikal positionering af kraner i lagerbygninger og overliggende transportbånd og diameterovervågning under spolevikling kan benytte sif af DT50 laserafstandssensorer. Disse sensorer understøtter ToF (Time Of-Flight)-afstandsmålinger på op til flere meter ved hjælp af reflekteret laserlys for at give immunitet over for omgivende belysning og præcis og pålidelig drift.

For eksempel har DT50-2B215252 en rækkevidde på 200 til 30.000 mm og flere særlige funktioner, herunder:

• Robust hus med en kapslingsklasse på IP65 og IP67
• Kan levere op til 3.000 afstandsmålinger pr. sekund
• Minimum responstid på 0,83 ms
• Kompakt hus understøtter en række anvendelser fra industrirobotter til måling af fyldningshøjder på lagerbeholdere

Målinger i høj opløsning ved hjælp af statistik

HDDM+ (High-definition distance measurement plus) er en ToF-måleteknologi med høj opløsning, som kan bruges i laserafstands- og LiDAR-sensorer (Light Detection and Ranging). I modsætning til sensorteknologier med enkeltpuls eller fasekorrelation er HDDM+ en statistisk måleproces.

Sensorsoftwaren evaluerer statistisk ekkoerne fra flere laserpulser for at filtrere interferens fra kilder som glasruder, tåge, regn, støv, sne, blade, hegn og andre genstande for at beregne afstanden til det tilsigtede mål. Den resulterende afstandsmåling kan have en høj grad af sikkerhed, selv under udfordrende omgivelsesforhold (figur 5).

Figur 3: SICK's HDDM+ software bruger en statistisk evalueringsproces til at eliminere "støj" fra f.eks. glasruder, tåge, regn, støv, sne, blade og hegn. (Billedkilde: SICK)

Typiske anvendelser for HDDM+-teknologi omfatter afstandsmåling til kvalitetskontrol i elektronikproduktion, LiDAR flerdimensionel objektdetektering og positionsbestemmelse i maskin- og anlægsteknik og bestemmelse af positionen for industrikraner eller køretøjer.

HDDM+-sensorernes rækkevidde er op til 1,5 km på retroreflekterende tape. For eksempel har model DT1000-S11101 en rækkevidde på op til 460 m med en typisk målenøjagtighed på ±15 mm for naturlige objekter og en justerbar opløsning fra 0,001 til 100 mm.

Induktiv

Induktive nærhedssensorer som IME-serien fra SICK kan registrere jernholdige og ikke-jernholdige metalgenstande. Disse sensorer består af et induktor-kondensator (LC)-resonanskredsløb, der genererer et højfrekvent elektromagnetisk vekselfelt. Feltet dæmpes, når et metallisk objekt kommer ind i detekteringsområdet. Dæmpningen registreres af signalevalueringskredsløbet og en forstærker, der producerer udgangssignalet (figur 4).

Figur 4: En grundlæggende induktiv nærhedssensor består af et LC-kredsløb, der producerer et vekslende felt, en signalevaluator og en forstærker. (Billedkilde: SICK)

To vigtige specifikationer for registreringsafstanden for flere nærhedssensorteknologier er den nominelle registreringsafstand (Sn) og den sikrede registreringsafstand (Sa). Sn tager ikke højde for fremstillingstolerancer eller eksterne påvirkninger som driftstemperatur. Sa tager højde for både produktionstolerancer og variationer i driftsforhold. Sa er typisk omkring 81 % af værdien af Sn. For eksempel for den induktive sensor model IME08-02BPSZT0S er Sn 2 mm og Sa 1,62 mm.

Kapacitiv registrering

Ligesom induktive sensorer bruger kapacitive nærhedssensorer en oscillator. I dette tilfælde bruges en åben kondensator, hvor den aktive elektrode i sensoren producerer et elektrostatisk felt i forhold til jorden. Disse sensorer kan registrere tilstedeværelsen af en lang række materialer, herunder metalliske og ikke-metalliske genstande.

Når et objekt kommer ind i det elektrostatiske felt, ændres amplituden af svingningerne i resonanskredsløbet baseret på materialets dielektriske egenskaber. Signalevaluatoren registrerer ændringen, og en forstærker producerer udgangssignalet (figur 5).

Figur 5: I en kapacitiv nærhedssensor producerer et oscillerende kredsløb et elektrostatisk felt, som ændrer egenskaber, når det mål, der skal registreres, kommer ind i feltet. (Billedkilde: SICK)

Ligesom induktive nærhedssensorer er der flere specifikationer relateret til sensorafstanden for kapacitive nærhedssensorer, herunder Sn, Sa og en reduktionsfaktor. For eksempel har modellen CM12-08EBP-KC1 en Sn på 8 mm og en nominel Sa på 5,76 mm.

Det objekt, der skal registreres, skal være mindst lige så stort som sensorfronten, og registreringsafstanden varierer med materialets reduktionsfaktor. Reduktionsfaktorer er relateret til materialets dielektriske konstant og kan variere fra 1 for metaller og vand til 0,4 for polyvinylchlorid (PVC), 0,6 for glas og 0,5 for keramik.

Magnetisk

Magnetiske nærhedssensorer reagerer på tilstedeværelsen af en magnet. Magnetiske nærhedssensorer fra SICK bruger to detektionsteknologier:

• GMR-sensorer (Giant Magneto Resistive) er baseret på modstande, der ændrer deres værdi, når der er et magnetfelt til stede. En Wheatstone-bro bruges til at registrere ændringen i modstand og producere et udgangssignal. MZT7-cylindersensorer, som MZT7-03VPS-KP0, der er designet til brug med T-slot-cylindre, bruger GMR-teknologi til at registrere stempelpositionering i pneumatiske drev og i lignende applikationer.
• LC-teknologien bruger et resonanskredsløb, der resonerer med en lille amplitude. Hvis et eksternt magnetfelt nærmer sig, øges resonansamplituden. Stigningen registreres af en signalevaluator, og en forstærker producerer udgangssignalet (figur 6). MM08-60APO-ZUA har en Sn på 60 mm og en Sa på 48,6 mm.

Figur 6: I en magnetisk nærhedssensor kan feltproben bruge GMR- eller LC-teknologi. (Billedkilde: SICK)

Ultralydssensorer

Til objekter, der er op til 8 m væk, kan designere bruge ultralydssensorer som UM30-familien fra SICK. Disse sensorer har integreret temperaturkompensation for at forbedre målenøjagtigheden og giver farveuafhængig objektregistrering, immunitet over for støv og drift op til +70 °C. De måler afstande baseret på time-of-flight-teknologi, hvor afstanden er lig med lydens hastighed ganget med den samlede akustiske transmitionstid (t₂) og summen divideret med 2 (figur 6).

Figur 7: Ultralydssensorer kan måle afstand baseret på lydbølgernes samlede transmitionstid (t₂). (Billedkilde: SICK)

Ultralydssensorer som model UM30-212111 er velegnede til applikationer som overvågning af tomme beholdere. En intern temperaturmonitor giver en målenøjagtighed på ±1 %. Disse farveuafhængige sensorer kan registrere objekter, der er svære at skelne, selv i tilstedeværelse af snavs og støv.

Konklusion

Den gode nyhed er, at der er en bred vifte af valgmuligheder inden for nærheds- og afstandssensorteknologi. Det betyder, at der er en løsning til ethvert anvendelsesbehov. Udfordringen er at sortere i de mange valgmuligheder og finde den optimale løsning til detektion af specifikke materialer under faktiske anvendelses- og driftsforhold.