Foto-elektrische sensoren zijn contactloze sensoren die zichtbaar of infrarood licht gebruiken om objecten te detecteren. Ze zenden lichtstralen uit en observeren de straal op eventuele onderbrekingen of veranderingen om de aanwezigheid van een vreemd voorwerp in het lichtpad te detecteren.  

Dit artikel is bedoeld om u een algemeen begrip te geven van verschillende soorten foto-elektrische sensoren en hun werkwijze. 

Wat is een foto-elektrische sensor?

Een foto-elektrische sensor is een optische sensor die bestaat uit een lichtbron, lichtontvanger en een signaalverwerkings- en besturingsuitgangscircuit. Ze kunnen de aanwezigheid van objecten detecteren en soms zelfs de oppervlaktecondities.

Wanneer het uitgestraalde licht wordt onderbroken door een object in de buurt, detecteert de lichtontvanger deze verandering en schakelt de output van de sensor in of uit. Sommige naderingssensoren kunnen zelfs de afstand tot het object bepalen.

Werkingsprincipe van foto-elektrische sensoren

De werking van foto-elektrische sensoren is gebaseerd op de primaire eigenschappen van licht: intensiteit, voortplantingsrichting, frequentie en polarisatie. Ze kunnen een of meer van deze concepten gebruiken om de afstand tot objecten te detecteren en te meten.

Eigenschappen van licht

Rechtlijnige voortplanting

Licht is een elektromagnetische golf. Een van de fysische eigenschappen van elektromagnetische golven is rechtlijnige voortplanting. Het beschrijft de neiging van licht om in een rechte lijn te reizen. Wanneer ze door een homogeen medium reizen (materiaal dat op elk punt dezelfde eigenschappen heeft), zoals lucht, buigen lichtgolven niet en daarom reizen ze in rechte lijnen.

Sensoren zoals: foto-elektrische sensoren met zender-ontvanger gebruik deze eigenschap van licht om objecten te detecteren die over de straal komen en deze te blokkeren.

Straalbreking

Een andere eigenschap van licht is dat het van richting verandert (afbuigt) wanneer het door een interface gaat die twee media scheidt. Wanneer licht bijvoorbeeld door de lucht reist en in het water terechtkomt, buigt de rechte straal af. Dit komt door de verandering in de brekingsindex in de twee media. De onderstaande afbeelding laat zien hoe licht breekt wanneer het door lucht-glas-lucht mediums gaat.

Afspiegeling

Reflectie is de eigenschap van licht die het fenomeen beschrijft waarbij een lichtstraal een object of een oppervlak zoals een glas of spiegel raakt en de straal terug naar de bron stuurt. Reflectie beschrijft dat de invalshoek gelijk is aan de reflectiehoek, waardoor de lichtstraal na reflectie precies hetzelfde pad in de tegenovergestelde richting aflegt.

Retroreflectie is een verbeterde versie van reflectie, waarbij gebruik wordt gemaakt van een 'corner-cube'. Hoekkubussen zijn gemaakt van drie platte spiegels die loodrecht op elkaar staan. Deze reflectie wordt ook wel 'retroreflectie' genoemd

Terwijl reflecterende oppervlakken het licht dat erop gericht is bijna volledig reflecteren, kunnen sommige materialen, zoals wit papier, licht in alle richtingen reflecteren. Dit wordt 'verstrooiing' of 'diffusie' genoemd.

Polarisatie

Zoals we al zeiden, is licht een elektromagnetische golf. Elektromagnetische golven kunnen ook worden gezien als oscillerende golven, zowel horizontaal als verticaal. De meeste foto-elektrische sensoren gebruiken tegenwoordig LED's als hun lichtbronnen. Het door LED's uitgestraalde licht heeft zowel horizontale als verticale componenten, ook wel 'ongepolariseerd' licht genoemd.

We kunnen speciale filters, 'polarisatiefilters' genaamd, gebruiken om een ​​van die componenten uit te filteren, zodat de straal alleen horizontale of verticale oscillerende componenten heeft. De lichtstraal wordt dan 'gepolariseerd'.

Polarisatie wordt over het algemeen gebruikt om externe interferentie te voorkomen, aangezien de sensor niet op zowat elke lichtstraal zal reageren, maar alleen op de speciaal gefilterde straal.

Light Sources

Optische/foto-elektrische sensoren worden geleverd met twee soorten lichtbronnen: puls gemoduleerd licht en niet-gemoduleerd licht. 

Gemoduleerde lichtbronnen

Deze methode, ook wel pulsgemoduleerd licht genoemd, gebruikt een continu pulserende lichtstraal om objecten te detecteren. Het uitgestraalde licht (LED) wordt herhaaldelijk in- en uitgeschakeld met een vast tijdsinterval. Deze methode is zeer nuttig bij sensoren waar externe lichtinterferentie een probleem kan zijn. Omdat de sensor alleen gevoelig is voor de specifieke frequentie van het uitgestraalde licht, kunnen externe lichtbronnen de sensor niet storen en per ongeluk activeren.

Sensoren met gemoduleerde lichtbronnen hebben ook een groter bereik dan sensoren met niet-gemoduleerde lichtbronnen.

Niet-gemoduleerde lichtbron

Omdat het het eenvoudigste, niet-gemoduleerde licht is, is het een continu brandende straal met een specifieke lichtintensiteit. Ze zijn sneller dan gemoduleerde lichtsensoren, maar zijn gevoelig voor externe interferentie.

Triangulatie

In op afstand instelbare sensoren kunnen we de verplaatsing van een object detecteren met behulp van een methode die 'triangulatie' wordt genoemd. Deze sensoren hebben een speciaal detectie-element dat kan voelen waar de lichtstraal precies op de sensor valt. Als het object zich bijvoorbeeld op positie A bevindt zoals weergegeven in onderstaande figuur, zal de lichtstraal op positie 'a' op de positiedetector vallen. Als het object verder naar punt B wordt bewogen, zal de lichtstraal ook worden geconcentreerd op punt 'b' op de sensor.

Classificatie van foto-elektrische sensoren

We kunnen foto-elektrische sensoren classificeren aan de hand van drie hoofdcriteria: detectiemethode, selectiepunten per detectiemethode en configuratie.

Classificatie door detectiemethode

• Zender-ontvanger-sensoren
  • In doorgaande bundelsensoren zijn er twee apparaten: de zender en de ontvanger. Ze zijn tegenover elkaar geïnstalleerd. De zender zendt een lichtstraal uit en valt op de sensor aan de andere kant. Wanneer een object in de zichtlijn van de sensor komt, onderbreekt het de straal en interpreteert de sensor de afwezigheid van licht als de detectie van een object.

• • Doorstraalsensoren kunnen een detectiebereik hebben van enkele centimeters tot enkele tientallen meters. Ze kunnen bijna elk dekkend materiaal detecteren, ongeacht vorm, kleur en glans.

• Diffuus reflecterende sensoren
  • Diffuus reflecterende sensoren hebben alle benodigde hardware in één behuizing. Tijdens normaal bedrijf straalt de zender een licht uit en keert deze nooit terug naar de sensor. Wanneer een object in de straal wordt geplaatst, reflecteert het een deel van het licht terug naar de sensor. De sensor bewaakt de gereflecteerde hoeveelheid licht en als deze meer dan een vaste waarde is, wordt de uitgang getriggerd.

• • Diffuse sensoren zijn gemakkelijker te monteren omdat er maar één apparaat is en weinig kalibratie/aanpassing nodig is. Ze kunnen objecten van enkele centimeters tot enkele meters detecteren.
  • De kleur en textuur van de gedetecteerde objecten kunnen de prestaties en stabiliteit van sensoren in diffuse modus beïnvloeden.

• Retroreflecterende sensoren
  • Retroreflecterende sensoren zijn ook sensoren voor één apparaat die het gereflecteerde licht zowel uitzenden als detecteren. Een speciale reflector genaamd 'retroreflector' reflecteert het uitgestraalde licht.
  • Wanneer een object de lichtstraal onderbreekt, wordt de intensiteit van de gereflecteerde straal lager en kan de sensor deze verandering detecteren en de output in-/uitschakelen.
  • 
  • Retroreflecterende sensoren hebben ook een detectieafstand van enkele centimeters tot enkele meters. Ze kunnen zowel transparante als ondoorzichtige materialen detecteren. Met speciale toevoegingen zoals polarisatiefilters kunnen ze zelfs oppervlakken met een gespiegelde afwerking detecteren.
  • Retroreflecterende sensoren hebben een dode zone in korte afstanden, wat bij sommige toepassingen een nadeel kan zijn.
• Op afstand instelbare sensoren
  • Op afstand instelbare lichtstraalsensoren kunnen de relatieve beweging van een gedetecteerd object detecteren. Ze hebben een positiedetectorsensor, die kan detecteren waar op de sensor het ontvangen licht zich concentreert. Sommige sensoren hebben een tweedelige fotodiode, waarbij de ene kan detecteren wanneer het object zich in de buurt van de sensor bevindt en de andere detecteert wanneer het object zich ver van de sensor bevindt door het verschil in lichtintensiteiten van de twee fotodiodes te berekenen.

• • De op afstand instelbare sensorwerking wordt niet sterk beïnvloed door de achtergrond of objectcondities zoals kleur of oppervlaktecondities.

• Beperkt reflecterende sensoren
  • Beperkte reflecterende sensoren zijn vergelijkbaar met de op afstand instelbare sensoren, maar hun bereik is optisch beperkter. Ze kunnen alleen objecten op een bepaalde afstand detecteren (gebied waar uitgestraald licht en ontvangstpad elkaar overlappen).

• • Sensoren met beperkte reflectie kunnen kleine veranderingen in de hoogte van objecten detecteren en zijn daarom geschikt voor kwaliteitscontroletoepassingen. Net als bij het afstandsinstelbare type, wordt de werking van de sensor niet sterk beïnvloed door de achtergrond of objectcondities zoals kleur of oppervlaktecondities.

Selectiepunten per detectiemethode

We moeten meerdere punten in overweging nemen bij het overwegen van een foto-elektrische sensor voor een bepaalde toepassing.

Bij het selecteren van een zender-ontvanger en retroreflecterend sensoren, let dan op de volgende punten:

Waarnemend object

• Grootte en vorm (lengte x breedte x hoogte)
• Transparantie (ondoorzichtig, semi-transparant of transparant)

Sensor

• detectieafstand
• Maat- en vormbeperkingen (sensor en eventuele reflectoren)
• Behoefte aan zij-aan-zij montage
  • Aantal eenheden
  • Montage pitch
  • Noodzaak voor verspringende montage
• Montagebeperkingen
  • Hoek
  • Opruiming 

Milieu

• Omgevingstemperatuur, vochtigheid
• Aanwezigheid van opspattend water, chemicaliën en olie

Als de toepassing een diffuus reflecterende, afstand instelbare of een beperkte afstand instelbare sensor, controleer op de kenmerken van;

Waarnemend object

• Grootte en vorm (lengte x breedte x hoogte)
• Kleur
• Materiaal (staal, hout, papier, SUS etc.)
• Oppervlakteafwerking (gloxxy, getextureerd enz.)
• Reissnelheid

Sensor

• detectieafstand
• Maat- en vormbeperkingen (sensor en eventuele reflectoren)
• Behoefte aan zij-aan-zij montage
  • Aantal eenheden
  • Montage pitch
  • Noodzaak voor verspringende montage
• Montagebeperkingen
  • Hoek
  • Opruiming 

Milieu

• Omgevingstemperatuur, vochtigheid
• Aanwezigheid van opspattend water, chemicaliën en olie

Classificatie op configuratie

Foto-elektrische sensoren kunnen ook worden ingedeeld op basis van hun fysieke configuratie. Ze hebben vier hoofdonderdelen, de zender, ontvanger, versterker en controller.

Sensoren met aparte versterkers

Sensoren zoals foto-elektrische sensoren van het type zender-ontvanger hebben vaak hun versterkercircuit als een afzonderlijke eenheid. Voor het type doorgaande bundel zijn de zender en ontvanger ook in verschillende behuizingen ondergebracht. Reflecterende sensoren hebben een geïntegreerde zender en ontvanger, samen met een aparte versterkereenheid.

Deze opstelling kan handig zijn wanneer de sensoren in krappe ruimtes moeten worden gemonteerd en niet gemakkelijk toegankelijk zijn om hun gevoeligheid aan te passen. Omdat de versterker echter op afstand van de sensoren is gemonteerd, is het signaal ook gevoelig voor elektrische ruis.

Ingebouwde versterkersensoren

Dit type bestaat uit alle vier de hoofdcomponenten van de sensor, inclusief de versterkereenheid. De meeste doorstraalsensoren met geïntegreerde versterkers hebben de ontvanger, versterker en de controller ingebouwd in de ontvanger en de zender blijft als een afzonderlijke eenheid. Ze hebben alleen externe voeding nodig om op te starten.

Ingebouwde versterkersensoren hebben relatief minder bedrading nodig dan die zonder de versterkers. Ze worden dus minder snel beïnvloed door elektrische ruis omdat er geen signaaldraden bij betrokken zijn.

Sensoren met ingebouwde voedingen

Dit type foto-elektrische sensoren kan direct een hoge vermogensbelasting aandrijven, zoals motoren of gloeilampen. Ze hebben hun eigen ingebouwde voedingscircuit en kunnen rechtstreeks worden aangesloten op commerciële voedingen. (geen aparte voedingen nodig).

Ze zijn echter ook veel groter in termen van de voetafdruk, omdat ze naast de zender, ontvanger, versterker en het controllercircuit alle vermogenselektronica en het voedingscircuit moeten bevatten.

Gebiedssensoren

Gebiedssensoren zijn een aangepaste versie van zender-ontvangersensoren die objecten kunnen detecteren met behulp van meerdere stralen. Ze zijn handig bij het detecteren van objecten die verschillende oriëntatiehoogten kunnen hebben, zoals kleine onderdelen.

Kenmerken van foto-elektrische sensor

Het handigste kenmerk van foto-elektrische sensoren is dat ze elk object kunnen detecteren zonder enig contact te maken. In tegenstelling tot sensoren zoals eindschakelaars, detecteren ze de aanwezigheid van een object met behulp van licht. Ze hebben ook geen beperkingen met betrekking tot wat kan worden gedetecteerd; de juiste foto-elektrische sensor detecteert elk object binnen zijn waarnemingsbeperkingen.

Foto-elektrische sensoren zijn ook extreem snel en hebben een zeer hoge resolutie voor precisietoepassingen. Ze hebben ook het hoogste detectiebereik, meer dan 10 meter in vergelijking met magnetische en ultrasone tegenhangers.

Het uitlijnen, kalibreren en afstellen van foto-elektrische sensoren is ook heel eenvoudig omdat de lichtstraal met het blote oog zichtbaar is (alleen voor modellen die zichtbaar licht uitstralen).

Aanpassing foto-elektrische sensorgevoeligheid

Het aanpassen van de gevoeligheid van foto-elektrische sensoren is heel eenvoudig. Sommige sensoren bestaan ​​uit een speciale knop genaamd 'teach-in' en de andere zijn uitgerust met een potentiometer die we met een schroevendraaier kunnen draaien. Een typische foto-elektrische sensor heeft twee indicatie-LED's, een groene voor stroomindicatie en een oranje voor het aangeven van de huidige uitgangsstatus.

Om de gevoeligheid van het type potentiometer aan te passen, draait u de potentiometer volledig tegen de klok in als er geen object aanwezig is. Plaats vervolgens het object voor de sensor en draai de potmeter met de klok mee totdat de oranje LED oplicht. 

Waar worden foto-elektrische sensoren gebruikt?

Foto-elektrische sensoren zijn te vinden in veel contactloze objectdetectietoepassingen. Ze bevatten,

• Controleren en tellen van objecten die langs een transportband lopen
• Kleuren detecteren
• Afstanden meten
• Verplaatsing meten
• Nabijheidsdetectie (aan-/afwezigheid van een object)

Wat is het verschil tussen naderingssensoren en foto-elektrische sensoren?

Nabijheidssensoren gebruiken doorgaans elektromagnetische of capacitieve velden om de aanwezigheid van objecten te detecteren. Foto-elektrische sensoren gebruiken lichtstralen om objecten te detecteren. Er zijn naderingssensoren die lichtstralen gebruiken voor detectie.

Foto-elektrische sensoren zijn extreem snel in vergelijking met naderingssensoren omdat ze lichtstralen gebruiken om objecten te detecteren. Dit komt omdat licht zich met zeer hoge snelheden voortplant. Nabijheidssensoren kunnen enkele milliseconden nodig hebben om een ​​object correct te detecteren.

Nabijheidssensoren zijn relatief goedkoper dan hun foto-elektrische tegenhangers. Dit komt door de relatief eenvoudige constructie van de naderingssensoren. Maar nabijheidssensoren zijn over het algemeen groter dan foto-elektrische sensoren.

Foto-elektrische sensoren zijn complexer dan naderingssensoren, maar ze hebben ook een zeer hoge resolutie en nauwkeurigheid. Foto-elektrische sensoren zijn ook gemakkelijker af te stellen dan naderingssensoren, waarvoor soms extra kalibratiemateriaal nodig is.

Wat zijn de vier basisonderdelen van de foto-elektrische sensor?

Er zijn vier hoofdfasen van een foto-elektrische sensor:

Lichtbron

Dit is het gedeelte dat het licht afhandelt. De huidige foto-elektrische sensoren zijn gebaseerd op LED (Light Emitting Diodes) die ofwel infrarood (IR) of zichtbaar licht zoals rood, groen of blauw kunnen hebben. De meeste sensoren gebruiken de pulsgemoduleerde methode om burst van continue pulsen te verzenden om externe interferentie veroorzaakt door soortgelijke lichtbronnen te verminderen.

Lichtontvanger

Het ontvangercircuit ontvangt het gereflecteerde/uitgezonden licht van de lichtbron en zet dit om in een elektrisch signaal.

Hoofd circuit

Het hoofdcircuit handelt alle functies op hoog niveau af, zoals pulsmodulatie voor de zender en signaalconditionering voor de ontvanger. Het heeft ook een synchrone detector en een versterkertrap om de aanwezigheid/afwezigheid of een verandering in het ontvangen signaal te detecteren.

Uitgangscircuit

Het uitgangscircuit regelt het uiteindelijke uitgangssignaal. Er zijn alle soorten uitgangscircuits beschikbaar, inclusief NPN/PNP-uitgangen en relaisuitgangen. Sommige sensoren kunnen analoge signalen uitvoeren en sommige kunnen zelfs een aanzienlijk grote belasting rechtstreeks aansturen in plaats van alleen een signaal te leveren.

Hoe stel je een foto-elektrische sensor in?

Foto-elektrische sensoren zijn verkrijgbaar in meerdere uitgangstypes, waaronder transistoruitgangen zoals PNP of NPN en relaisuitgang. De onderstaande afbeelding geeft de bedrading van de emittereenheid voor een doorgaande straalsensor weer. Door 0V aan de roze draad te leveren, wordt de zender ingeschakeld.

 

De ontvanger van de hieronder getoonde doorstraalsensor heeft uitgangen van het type NPN. De zwarte uitgang blijft op hoogspanning (12V of 24V op basis van de voeding). Wanneer een object wordt gedetecteerd, wordt het aangesloten op 0V, waardoor de stroom door de aangesloten belasting gaat. Om te kunnen communiceren met sensoren van het type NPN, moet een PLC een ingangskaart van het type PNP hebben.

Conclusie

In dit artikel hebben we de algemene werking van foto-elektrische sensoren besproken, de technologie achter hun werking en de soorten sensoren die in de industrie beschikbaar zijn. Foto-elektrische sensoren zijn zeer nauwkeurige en nauwkeurige sensoren die worden gebruikt in precisiemachines en algemene toepassingen om objecten te detecteren.