Les capteurs photoélectriques sont des capteurs sans contact qui utilisent la lumière visible ou infrarouge pour détecter des objets. Ils émettent des faisceaux lumineux et observent le faisceau pour détecter toute interruption ou tout changement afin de détecter la présence de tout objet étranger dans le trajet optique.
Cet article a pour objectif de vous donner une compréhension globale des différents types de capteurs photoélectriques et de leur mode de fonctionnement.
Qu'est-ce qu'un capteur photoélectrique ?
Un capteur photoélectrique est un capteur optique qui se compose d'une source lumineuse, d'un récepteur de lumière et d'un circuit de traitement de signal et de sortie de commande. Ils peuvent détecter la présence d'objets et parfois même les conditions de surface.
Lorsque la lumière émise est interrompue par un objet à proximité, le récepteur de lumière détecte ce changement et active ou désactive la sortie du capteur. Certains capteurs de proximité sont même capables de déterminer la distance par rapport à l'objet.
Principe de fonctionnement des capteurs photoélectriques
Le fonctionnement des capteurs photoélectriques repose sur les propriétés premières de la lumière : intensité, direction de propagation, fréquence et polarisation. Ils peuvent utiliser un ou plusieurs de ces concepts pour détecter et mesurer la distance aux objets.
Propriétés de la lumière
Propagation rectiligne
La lumière est un onde électromagnétique. L'une des propriétés physiques des ondes électromagnétiques est la propagation rectiligne. Il décrit la tendance de la lumière à voyager en ligne droite. Lorsqu'elles traversent un milieu homogène (matériau qui a les mêmes propriétés en tout point) tel que l'air, les ondes lumineuses ne se courbent pas, elles se déplacent donc en ligne droite.
Des capteurs tels que capteurs photoélectriques à barrage utilisez cette propriété de la lumière pour détecter les objets qui traversent le faisceau, le bloquant.
Réfraction
Une autre propriété de la lumière est qu'elle change de direction (dévie) lorsqu'elle traverse une interface qui sépare deux milieux. Par exemple, lorsque la lumière traverse l'air et pénètre dans l'eau, le faisceau droit dévie. Cela est dû au changement de Indice de réfraction dans les deux médiums. La figure ci-dessous montre comment la lumière se réfracte lorsqu'elle traverse des milieux air-verre-air.
Réflexion
La réflexion est la propriété de la lumière qui décrit le phénomène où un faisceau lumineux frappe un objet ou une surface telle qu'un verre ou un miroir, et redirige le faisceau vers la source. La réflexion décrit que l'angle d'incidence est égal à l'angle de réflexion, ce qui fait que le faisceau lumineux se déplace exactement sur le même chemin dans la direction opposée après réflexion.
La rétroréflexion est une version améliorée de la réflexion, où un « coin-cube » est utilisé. Les cubes d'angle sont constitués de trois miroirs plats perpendiculaires les uns aux autres. Cette réflexion est également connue sous le nom de « rétroréflexion »
Alors que les surfaces réfléchissantes reflètent presque entièrement la lumière dirigée vers elles, certains matériaux comme le papier blanc peuvent refléter la lumière dans toutes les directions. C'est ce qu'on appelle la « diffusion » ou la « diffusion ».
Polarisation
Comme nous l'avons mentionné, la lumière est une onde électromagnétique. Les ondes électromagnétiques peuvent également être considérées comme des ondes oscillantes, à la fois horizontalement et verticalement. De nos jours, la plupart des capteurs photoélectriques utilisent des LED comme sources lumineuses. La lumière émise par les LED a des composantes horizontales et verticales, connues sous le nom de lumière « non polarisée ».
Nous pouvons utiliser des filtres spéciaux appelés "filtres de polarisation" pour filtrer l'un de ces composants afin que le faisceau n'ait que des composants oscillants horizontaux ou verticaux. Le faisceau lumineux devient alors « polarisé ».
La polarisation est généralement utilisée pour éviter les interférences externes car le capteur ne répondra pas à n'importe quel faisceau lumineux, mais uniquement au faisceau spécialement filtré.
Sources de lumière
Les capteurs optiques/photoélectriques sont fournis avec deux types de sources lumineuses : lumière modulée par impulsion ainsi que lumière non modulée.
Sources lumineuses modulées
Également connue sous le nom de lumière modulée par impulsions, cette méthode utilise un faisceau de lumière à pulsation continue pour détecter des objets. La lumière émise (LED) est allumée et éteinte à plusieurs reprises à un intervalle de temps fixe. Cette méthode est très utile dans les capteurs où les interférences lumineuses externes peuvent être un problème. Comme le capteur n'est sensible qu'à la fréquence spécifique de la lumière émise, les sources lumineuses externes ne peuvent pas interférer avec le capteur et le déclencher accidentellement.
Les capteurs avec des sources lumineuses modulées ont également une portée plus élevée que les capteurs avec des sources lumineuses non modulées.
Source lumineuse non modulée
La lumière non modulée la plus simple est un faisceau continu qui a une intensité lumineuse spécifique. Ils sont plus rapides que les capteurs de lumière modulée, mais sont sujets aux interférences externes.
Triangulation
Dans les capteurs à distance réglable, nous pouvons détecter le déplacement d'un objet à l'aide d'une méthode appelée « triangulation ». Ces capteurs ont un élément de détection spécial qui peut détecter où exactement le faisceau lumineux tombe sur le capteur. Par exemple, si l'objet est à la position A indiquée dans la figure ci-dessous, le faisceau lumineux tombera à la position « a » sur le détecteur de position. Si l'objet est déplacé plus loin vers le point B, le faisceau lumineux sera également concentré sur le point « b » du capteur.
Classification des capteurs photoélectriques
Nous pouvons classer les capteurs photoélectriques selon trois critères principaux : méthode de détection, sélection des points par méthode de détection et configuration.
Classification par méthode de détection
- Capteurs barrage
- Dans les détecteurs de type barrage, il y a deux dispositifs : l'émetteur et le récepteur. Ils sont installés l'un en face de l'autre. L'émetteur émet un faisceau lumineux et il tombe sur le capteur de l'autre côté. Lorsqu'un objet entre dans la ligne de mire du capteur, il interrompt le faisceau et le capteur interprète l'absence de lumière comme la détection d'un objet.
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- Les capteurs de barrage peuvent avoir une portée de quelques centimètres à quelques dizaines de mètres. Ils peuvent détecter presque tous les matériaux opaques, quelles que soient leur forme, leur couleur et leur brillance.
- Capteurs à réflexion diffuse
- Les capteurs à réflexion diffuse ont tout le matériel nécessaire contenu dans un seul boîtier. En fonctionnement normal, l'émetteur émet une lumière et ne revient jamais vers le capteur. Lorsqu'un objet est placé dans le faisceau, il réfléchit une partie de la lumière vers le capteur. Le capteur surveille la quantité de lumière réfléchie et si elle est supérieure à une valeur fixe, la sortie est déclenchée.
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- Les capteurs diffus sont plus faciles à monter car il n'y a qu'un seul appareil et nécessite peu d'étalonnage/réglage. Ils peuvent détecter des objets de plusieurs centimètres à plusieurs mètres.
- La couleur et la texture des objets détectés peuvent affecter les performances et la stabilité des capteurs en mode diffus.
- Capteurs rétro-réfléchissants
- Les capteurs rétro-réfléchissants sont également des capteurs à dispositif unique qui émettent et détectent à la fois la lumière réfléchie. Un réflecteur spécial appelé « rétroréflecteur » réfléchit la lumière émise.
- Lorsqu'un objet interrompt le faisceau lumineux, l'intensité du faisceau réfléchi diminue et le capteur peut détecter ce changement et activer/désactiver la sortie.
- Les capteurs rétroréfléchissants ont également une distance de détection de quelques centimètres à plusieurs mètres. Ils peuvent détecter à la fois des matériaux transparents et opaques. Avec des ajouts spéciaux comme des filtres polarisants, ils peuvent même détecter des surfaces avec une finition miroir.
- Les capteurs rétroréfléchissants ont une zone morte à courte distance, ce qui peut être un inconvénient dans certaines applications.
- Capteurs à distance réglable
- Les capteurs de faisceau lumineux à distance réglable peuvent détecter le mouvement relatif d'un objet détecté. Ils ont un capteur de détection de position, qui peut détecter où sur le capteur la lumière reçue se concentre. Certains capteurs ont une photodiode en 2 parties, où l'une peut détecter quand l'objet est près du capteur et l'autre détecte quand l'objet est loin de lui en calculant la différence des intensités lumineuses données par les deux photodiodes.
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- Le fonctionnement du capteur à distance réglable n'est pas grandement affecté par l'arrière-plan ou les conditions de l'objet comme la couleur ou les conditions de surface.
- Capteurs à réflexion limitée
- Les capteurs à réflexion limitée sont similaires aux capteurs à distance réglable, mais leur portée est plus limitée optiquement. Ils ne peuvent détecter que des objets à une distance spécifique (zone où la lumière émise et le chemin de réception se chevauchent).
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- Des capteurs réfléchissants limités peuvent détecter de petits changements de hauteur d'objets et sont donc adaptés aux applications de contrôle qualité. Semblable au type à distance réglable, le fonctionnement du capteur n'est pas grandement affecté par l'arrière-plan ou les conditions de l'objet comme la couleur ou les conditions de surface.
Points de sélection par méthode de détection
Nous devons considérer plusieurs points lors de l'examen d'un capteur photoélectrique pour une application particulière.
Lors de la sélection d'un barrage ainsi que rétro-réfléchissant capteurs, tenez compte des points suivants :
Objet à détecter
- Taille et forme (longueur x largeur x hauteur)
- Transparence (opaque, semi-transparent ou transparent)
Capteur
- Distance de détection
- Restrictions de taille et de forme (capteur et éventuels réflecteurs)
- Nécessité d'un montage côte à côte
- Nombre d'unités
- Pas de montage
- Nécessité d'un montage décalé
- Restrictions de montage
- Angle
- Liquidation
Environment
- Température ambiante, humidité
- Présence d'éclaboussures d'eau, de produits chimiques et d'huile
Si la demande nécessite un capteur à réflexion diffuse, réglable à distance ou à distance limitée, vérifiez les caractéristiques de ;
Objet à détecter
- Taille et forme (longueur x largeur x hauteur)
- Couleur
- Matériau (acier, bois, papier, SUS, etc.)
- Finition de surface (gloxxy, texturé, etc.)
- Vitesse de déplacement
Capteur
- Distance de détection
- Restrictions de taille et de forme (capteur et éventuels réflecteurs)
- Nécessité d'un montage côte à côte
- Nombre d'unités
- Pas de montage
- Nécessité d'un montage décalé
- Restrictions de montage
- Angle
- Liquidation
Environment
- Température ambiante, humidité
- Présence d'éclaboussures d'eau, de produits chimiques et d'huile
Classification par configuration
Les capteurs photoélectriques peuvent également être classés en fonction de leur configuration physique. Ils ont quatre parties principales, l'émetteur, le récepteur, l'amplificateur et le contrôleur.
Capteurs avec amplificateurs séparés
Les capteurs tels que les capteurs photoélectriques de type barrage ont souvent leur circuit amplificateur en tant qu'unité distincte. Pour le type à faisceau traversant, l'émetteur et le récepteur sont également logés dans des boîtiers différents. Les capteurs réfléchissants ont un émetteur et un récepteur intégrés, ainsi qu'un amplificateur séparé.
Cette disposition peut être utile lorsque les capteurs doivent être montés dans des espaces restreints et ne seront pas facilement accessibles pour ajuster leur sensibilité. Cependant, étant donné que l'amplificateur est monté loin des capteurs, le signal est également sensible au bruit électrique.
Capteurs d'amplificateur intégrés
Ce type comprend les quatre composants principaux du capteur, y compris l'amplificateur. La plupart des capteurs de barrage avec amplificateurs intégrés ont le récepteur, l'amplificateur et le contrôleur intégrés au récepteur et l'émetteur reste une unité séparée. Ils ne nécessitent qu'une alimentation externe pour s'allumer.
Les capteurs d'amplificateurs intégrés nécessitent relativement moins de câblage que ceux sans amplificateurs. Ils sont donc très peu susceptibles d'être affectés par le bruit électrique car aucun fil de signal n'est impliqué.
Capteurs avec alimentations intégrées
Ce type de capteurs photoélectriques peut piloter directement une charge de forte puissance comme des moteurs ou des ampoules. Ils ont leur propre circuit d'alimentation intégré et peuvent être directement connectés à des alimentations commerciales. (pas besoin de blocs d'alimentation séparés).
Cependant, ils sont également beaucoup plus gros en termes d'encombrement car ils doivent contenir toute l'électronique de puissance et le circuit d'alimentation en plus de l'émetteur, du récepteur, de l'amplificateur et du circuit de commande.
Capteurs de zone
Les capteurs de zone sont une version modifiée des capteurs à barrage qui peuvent détecter des objets à l'aide de plusieurs faisceaux. Ils sont utiles lors de la détection d'objets qui peuvent avoir des hauteurs d'orientation variables telles que de petites pièces.
Caractéristiques du capteur photoélectrique
La caractéristique la plus utile des capteurs photoélectriques est qu'ils peuvent détecter n'importe quel objet sans établir de contact. Contrairement aux capteurs tels que les interrupteurs de fin de course, ils détectent la présence d'un objet à l'aide de la lumière. Ils n'ont également aucune restriction quant à ce qui peut être détecté ; le bon capteur photoélectrique détectera tout objet dans ses limites de détection.
Les capteurs photoélectriques sont également extrêmement rapides et ont une très haute résolution pour les applications de précision. Ils ont également la portée de détection la plus élevée, s'étendant sur plus de 10 mètres par rapport à leurs homologues magnétiques et ultrasoniques.
L'alignement, l'étalonnage et le réglage des capteurs photoélectriques sont également très faciles puisque le faisceau lumineux est visible à l'œil nu (uniquement pour les modèles émettant de la lumière visible).
Réglage de la sensibilité du capteur photoélectrique
Le réglage de la sensibilité des capteurs photoélectriques est très simple. Certains capteurs sont constitués d'un bouton spécial appelé « teach-in » et les autres sont équipés d'un potentiomètre que l'on peut tourner à l'aide d'un tournevis. Un capteur photoélectrique typique a deux voyants LED, un vert pour l'indication de l'alimentation et un orange pour indiquer l'état de la sortie actuelle.
Pour régler la sensibilité du type de potentiomètre, tournez complètement le potentiomètre dans le sens inverse des aiguilles d'une montre lorsqu'aucun objet n'est présent. Placez ensuite l'objet devant le capteur et tournez le potentiomètre dans le sens horaire jusqu'à ce que la LED orange s'allume.
Où sont utilisés les capteurs photoélectriques ?
Les capteurs photoélectriques sont présents dans de nombreuses applications de détection d'objets sans contact. Ils incluent,
- Vérification et comptage d'objets circulant sur une ligne de convoyeur
- Détecter les couleurs
- Mesurer les distances
- Mesure du déplacement
- Détection de proximité (présence/absence d'un objet)
Quelle est la différence entre les capteurs de proximité et les capteurs photoélectriques ?
Les capteurs de proximité utilisent généralement des champs électromagnétiques ou capacitifs pour détecter la présence d'objets. Les capteurs photoélectriques utilisent des faisceaux lumineux pour détecter des objets. Il existe des capteurs de proximité qui utilisent des faisceaux lumineux pour la détection.
Les capteurs photoélectriques sont extrêmement rapides par rapport aux capteurs de proximité car ils utilisent des faisceaux lumineux pour détecter des objets. C'est parce que la lumière voyage à des vitesses très élevées. Les capteurs de proximité peuvent prendre jusqu'à quelques millisecondes pour détecter correctement un objet.
Les capteurs de proximité sont relativement moins chers que leurs homologues photoélectriques. Cela est dû à la construction relativement simple des capteurs de proximité. Mais les capteurs de proximité sont généralement plus gros que les capteurs photoélectriques.
Les capteurs photoélectriques sont plus complexes que les capteurs de proximité, mais ils ont également une résolution et une précision très élevées. Les capteurs photoélectriques sont également plus faciles à régler que les capteurs de proximité, qui nécessitent parfois du matériel d'étalonnage supplémentaire.
Quelles sont les quatre parties de base du capteur photoélectrique ?
Il y a quatre étapes principales d'un capteur photoélectrique :
Source de lumière
C'est la section qui gère l'émission de lumière. Les capteurs photoélectriques actuels sont basés sur des LED (diodes électroluminescentes) qui peuvent avoir une lumière infrarouge (IR) ou visible comme la couleur rouge, verte ou bleue. La plupart des capteurs utilisent la méthode modulée par impulsions pour envoyer des rafales d'impulsions continues afin de réduire les interférences externes causées par des sources lumineuses similaires.
Récepteur de lumière
Le circuit récepteur reçoit la lumière réfléchie/émise de la source lumineuse et la convertit en un signal électrique.
Circuit principal
Le circuit principal gère toutes les fonctions de haut niveau telles que la modulation d'impulsions pour l'émetteur et le conditionnement du signal pour le récepteur. Il dispose également d'un détecteur synchrone et d'un étage amplificateur pour détecter la présence/absence ou une modification du signal reçu.
Circuit de sortie
Le circuit de sortie contrôle le signal de sortie final. Il existe tous les types de circuits de sortie disponibles, y compris les sorties NPN/PNP et les sorties relais. Certains capteurs peuvent émettre des signaux analogiques et certains peuvent même piloter directement une charge considérablement importante au lieu de fournir uniquement un signal.
Comment installer un capteur photoélectrique ?
Les capteurs photoélectriques sont disponibles dans plusieurs types de sortie, y compris une sortie transistor telle que PNP ou NPN et une sortie relais. La figure ci-dessous indique le câblage de l'unité émettrice pour un capteur de type barrage. Fournir 0V au fil rose allumera l'émetteur.
Le récepteur du capteur de barrage illustré ci-dessous possède des sorties de type NPN. La sortie noire reste à haute tension (12V ou 24V selon l'alimentation). Lorsqu'un objet est détecté, il est connecté à 0V, faisant circuler le courant à travers la charge connectée. Pour s'interfacer avec des capteurs de type NPN, un automate doit disposer d'une carte d'entrée de type PNP.
Conclusion
Dans cet article, nous avons discuté du fonctionnement général des capteurs photoélectriques, de la technologie derrière leur fonctionnement et des types de capteurs disponibles dans l'industrie. Les capteurs photoélectriques sont des capteurs très précis et précis qui sont utilisés dans des machines de haute précision et des applications générales pour détecter des objets.
