Sensores fotoelétricos são sensores sem contato que usam luz visível ou infravermelha para detectar objetos. Eles emitem feixes de luz e observam o feixe para quaisquer interrupções ou alterações para detectar a presença de qualquer objeto estranho dentro do caminho da luz.  

Este artigo tem como objetivo fornecer uma compreensão geral sobre os diferentes tipos de sensores fotoelétricos e seus métodos de operação. 

O que é um sensor fotoelétrico?

Um sensor fotoelétrico é um sensor óptico que consiste em uma fonte de luz, um receptor de luz e um processamento de sinal e um circuito de saída de controle. Eles podem detectar a presença de objetos e, às vezes, até mesmo as condições da superfície.

Quando a luz emitida é interrompida por um objeto próximo, o receptor de luz detecta essa mudança e liga ou desliga a saída do sensor. Alguns sensores de proximidade também são capazes de determinar a distância até o objeto.

Princípio de operação de sensores fotoelétricos

A operação dos sensores fotoelétricos é baseada nas propriedades primárias da luz: intensidade, direção de propagação, frequência e polarização. Eles podem utilizar um ou mais desses conceitos para detectar e medir a distância aos objetos.

Propriedades da luz

Propagação Retilinear

Luz é um onda eletromagnética. Uma das propriedades físicas das ondas eletromagnéticas é a propagação retilínea. Descreve a tendência da luz de viajar em linha reta. Ao viajar através de um meio homogêneo (material que tem as mesmas propriedades em todos os pontos) como o ar, as ondas de luz não se dobram, portanto, viajam em linha reta.

Sensores como sensores fotoelétricos através de feixe use esta propriedade da luz para detectar objetos que cruzam o feixe, bloqueando-o.

Refração

Outra propriedade da luz é que ela muda de direção (desvia) quando passa por uma interface que separa dois meios. Por exemplo, quando a luz viaja pelo ar e entra na água, o feixe direto desvia. Isso se deve à mudança no índice de refração nos dois meios. A figura abaixo mostra como a luz refrata ao passar por meios ar-vidro-ar.

Reflexão

A reflexão é a propriedade da luz que descreve o fenômeno onde um feixe de luz atinge um objeto ou uma superfície como um vidro ou espelho e redireciona o feixe de volta para a fonte. A reflexão descreve que o ângulo incidente é igual ao ângulo de reflexão, o que faz com que o feixe de luz viaje no mesmo caminho exato na direção oposta após refletir.

Retroreflection é uma versão melhorada de reflexão, onde um 'cubo de canto' é usado. Os cubos de canto são feitos de três espelhos planos perpendiculares uns aos outros. Esta reflexão também é conhecida como 'retrorreflecção'

Embora as superfícies reflexivas reflitam quase totalmente a luz direcionada para elas, alguns materiais, como o papel branco, podem refletir a luz em todas as direções. Isso é chamado de 'espalhamento' ou 'difusão'.

Polarização

Como mencionamos, a luz é uma onda eletromagnética. As ondas eletromagnéticas também podem ser vistas como ondas oscilantes, tanto horizontal quanto verticalmente. A maioria dos sensores fotoelétricos usa LEDs como fontes de luz hoje em dia. A luz emitida pelos LEDs possui componentes horizontais e verticais, conhecidos como luz '' não polarizada '.

Podemos usar filtros especiais chamados 'filtros de polarização' para filtrar um desses componentes e fazer com que o feixe tenha apenas componentes oscilantes horizontais ou verticais. O feixe de luz então se torna 'polarizado'.

A polarização é geralmente usada para evitar interferência externa, pois o sensor não responderá a praticamente nenhum feixe de luz, mas apenas ao feixe especialmente filtrado.

Fontes de luz

Sensores ópticos / fotoelétricos vêm com dois tipos de fontes de luz: luz modulada por pulso e luz não modulada. 

Fontes de luz moduladas

Também conhecido como luz modulada por pulso, este método usa um feixe de luz pulsante continuamente para detectar objetos. A luz emitida (LED) é ligada e desligada repetidamente em um intervalo de tempo fixo. Este método é muito útil em sensores onde a interferência de luz externa pode ser um problema. Como o sensor só é sensível à frequência específica da luz emitida, as fontes de luz externas não podem interferir no sensor e acioná-lo acidentalmente.

Sensores com fontes de luz moduladas também têm um alcance maior do que sensores com fontes de luz não moduladas.

Fonte de luz não modulada

Sendo a luz mais simples, não modulada é um feixe continuamente ligado que tem uma intensidade de luz específica. Eles são mais rápidos do que os sensores de luz modulados, mas estão sujeitos a interferências externas.

Triangulação

Em sensores com distância ajustável, podemos detectar o deslocamento de um objeto usando um método chamado 'triangulação'. Esses sensores têm um elemento sensor especial que pode detectar onde exatamente o feixe de luz incide sobre o sensor. Por exemplo, se o objeto está na posição A mostrada na figura abaixo, o feixe de luz cairá na posição 'a' no detector de posição. Se o objeto for movido ainda mais em direção ao ponto B, o feixe de luz também será concentrado no ponto 'b' do sensor.

Classificação de sensores fotoelétricos

Podemos classificar os sensores fotoelétricos usando três critérios principais: método de detecção, pontos de seleção por método de detecção e configuração.

Classificação por método de detecção

• Sensores de feixe
  • Nos sensores através de feixe, existem dois dispositivos: o emissor e o receptor. Eles são instalados opostos um ao outro. O emissor emite um feixe de luz e ele atinge o sensor do outro lado. Quando um objeto entra na linha de visão do sensor, ele interrompe o feixe e o sensor interpreta a ausência de luz como a detecção de um objeto.

• • Os sensores de feixe podem ter uma faixa de detecção de alguns centímetros a algumas dezenas de metros. Eles podem detectar quase qualquer material opaco, independentemente da forma, cor e brilho.

• Sensores Difusos-Refletivos
  • Sensores reflexivos difusos possuem todo o hardware necessário contido em um único invólucro. Durante a operação normal, o emissor emite uma luz e nunca retorna para o sensor. Quando um objeto é colocado no feixe, ele reflete parte da luz de volta para o sensor. O sensor monitora a quantidade refletida de luz e se for mais do que um valor fixo, a saída é acionada.

• • Sensores difusos são mais fáceis de montar, pois há apenas um único dispositivo e precisa de pouca calibração / ajuste. Eles podem detectar objetos de vários centímetros a vários metros.
  • A cor e a textura dos objetos detectados podem afetar o desempenho e a estabilidade dos sensores de modo difuso.

• Sensores Retrorrefletivos
  • Sensores retrorrefletivos também são sensores de dispositivo único que emitem e detectam a luz refletida. Um refletor especial denominado 'retrorefletor' reflete a luz emitida.
  • Quando um objeto interrompe o feixe de luz, a intensidade do feixe refletido torna-se mais baixa e o sensor pode detectar essa mudança e ligar / desligar a saída.
  • 
  • Os sensores retrorefletivos também têm uma distância de detecção de alguns centímetros a vários metros. Eles podem detectar materiais transparentes e opacos. Com adições especiais, como filtros polarizadores, eles podem até detectar superfícies com acabamento espelhado.
  • Os sensores retrorefletivos têm uma zona morta em faixas próximas, o que pode ser uma desvantagem em algumas aplicações.
• Sensores Ajustáveis ​​por Distância
  • Sensores de feixe de luz com distância ajustável podem detectar o movimento relativo de um objeto detectado. Eles têm um sensor detector de posição, que pode detectar onde no sensor a luz recebida se concentra. Alguns sensores possuem fotodiodo de 2 partes, onde uma pode detectar quando o objeto está próximo ao sensor e a outra detecta quando o objeto está longe, calculando a diferença das intensidades de luz dadas pelos dois fotodiodos.

• • A operação do sensor de distância ajustável não é muito afetada pelo plano de fundo ou pelas condições do objeto, como a cor ou as condições da superfície.

• Sensores reflexivos limitados
  • Sensores reflexivos limitados são semelhantes aos sensores com distância ajustável, mas seu alcance é mais limitado opticamente. Eles só podem detectar objetos em uma distância específica (área onde a luz emitida e o caminho de recepção se sobrepõem).

• • Sensores reflexivos limitados podem detectar pequenas mudanças na altura dos objetos, portanto, são adequados para aplicações de controle de qualidade. Semelhante ao tipo de distância ajustável, a operação do sensor não é muito afetada pelo plano de fundo ou pelas condições do objeto, como a cor ou as condições da superfície.

Pontos de Seleção por Método de Detecção

Precisamos considerar vários pontos ao considerar um sensor fotoelétrico para uma aplicação particular.

Ao selecionar um através da viga e retro-reflexivo sensores, considere os seguintes pontos:

Objeto de detecção

• Tamanho e forma (comprimento x largura x altura)
• Transparência (opaca, semitransparente ou transparente)

Sensor

• distância de detecção
• Restrições de tamanho e forma (sensor e quaisquer refletores)
• Necessidade de montagem lado a lado
  • Número de unidades
  • Passo de montagem
  • Necessidade de montagem escalonada
• Restrições de montagem
  • ângulo
  • Liberação 

Meio Ambiente

• Temperatura ambiente, umidade
• Presença de respingos de água, produtos químicos e óleo

Se o aplicativo requer um difuso-reflexivo, distância ajustável ou um sensor de distância limitada ajustável, verifique as características de;

Objeto de detecção

• Tamanho e forma (comprimento x largura x altura)
• Cor
• Material (aço, madeira, papel, SUS etc.)
• Acabamento de superfície (gloxxy, texturizado etc.)
• Velocidade de viagem

Sensor

• distância de detecção
• Restrições de tamanho e forma (sensor e quaisquer refletores)
• Necessidade de montagem lado a lado
  • Número de unidades
  • Passo de montagem
  • Necessidade de montagem escalonada
• Restrições de montagem
  • ângulo
  • Liberação 

Meio Ambiente

• Temperatura ambiente, umidade
• Presença de respingos de água, produtos químicos e óleo

Classificação por configuração

Os sensores fotoelétricos também podem ser categorizados de acordo com sua configuração física. Eles têm quatro partes principais, o Emissor, o Receptor, o Amplificador e o Controlador.

Sensores com amplificadores separados

Sensores como sensores fotoelétricos do tipo através de feixe geralmente têm seu circuito amplificador como uma unidade separada. Para o tipo de feixe direto, o Emissor e o Receptor também estão alojados em alojamentos diferentes. Os sensores reflexivos têm um emissor e um receptor integrados, junto com uma unidade amplificadora separada.

Esse arranjo pode ser útil onde os sensores precisam ser montados em espaços apertados e não são facilmente acessíveis para ajustar sua sensibilidade. No entanto, como o amplificador é montado longe dos sensores, o sinal também é suscetível a ruído elétrico.

Sensores amplificadores integrados

Este tipo consiste em todos os quatro componentes principais do sensor, incluindo a unidade amplificadora. A maioria dos sensores de feixe com amplificadores integrados têm o receptor, amplificador e o controlador embutidos no receptor e o emissor permanece como uma unidade separada. Eles só precisam de energia externa para ligar.

Sensores de amplificador embutidos precisam de quantidade relativamente menor de fiação do que aqueles sem os amplificadores. Portanto, é muito menos provável que sejam afetados por ruído elétrico, porque não há fios de sinal envolvidos.

Sensores com fontes de alimentação integradas

Este tipo de sensores fotoelétricos pode acionar diretamente uma carga de alta potência, como motores ou lâmpadas. Eles têm seu próprio circuito de fonte de alimentação embutido e podem ser conectados diretamente a fontes de alimentação comerciais. (não há necessidade de unidades de fonte de alimentação separadas).

No entanto, eles também são muito maiores em termos de área ocupada, uma vez que precisam conter todos os componentes eletrônicos de potência e circuito de fonte de alimentação, além do emissor, receptor, amplificador e circuito controlador.

Sensores de área

Os sensores de área são uma versão modificada dos sensores de feixe que podem detectar objetos usando vários feixes. Eles são úteis para detectar objetos que podem ter diferentes alturas de orientação, como peças pequenas.

Características do sensor fotoelétrico

O recurso mais útil dos sensores fotoelétricos é que eles podem detectar qualquer objeto sem fazer nenhum contato. Ao contrário de sensores como interruptores de limite, eles detectam a presença de um objeto usando luz. Eles também não têm restrições quanto ao que pode ser detectado; o sensor fotoelétrico correto detectará qualquer objeto dentro de suas limitações de detecção.

Os sensores fotoelétricos também são extremamente rápidos e têm uma resolução muito alta para aplicações de precisão. Eles também têm o maior alcance de detecção, abrangendo mais de 10 metros quando comparados aos equivalentes magnéticos e ultrassônicos.

Alinhar, calibrar e ajustar sensores fotoelétricos também é muito fácil, pois o feixe de luz é visível a olho nu (apenas para modelos que emitem luz visível).

Ajuste de sensibilidade do sensor fotoelétrico

Ajustar a sensibilidade dos sensores fotoelétricos é muito simples. Alguns sensores consistem em um botão especial chamado 'teach-in' e os outros vêm equipados com um potenciômetro que pode ser girado com uma chave de fenda. Um sensor fotoelétrico típico tem dois LEDs indicadores, um verde para indicação de energia e um laranja para indicar o status da saída atual.

Para ajustar a sensibilidade do tipo de potenciômetro, gire totalmente o potenciômetro no sentido anti-horário quando nenhum objeto estiver presente. Em seguida, coloque o objeto na frente do sensor e gire o potenciômetro no sentido horário até que o LED laranja acenda. 

Onde os sensores fotoelétricos são usados?

Sensores fotoelétricos são encontrados em muitas aplicações de detecção de objetos sem contato. Eles incluem,

• Verificação e contagem de objetos viajando por uma linha de transporte
• Detectando cores
• Medindo distâncias
• Medindo o deslocamento
• Sensor de proximidade (presença / ausência de um objeto)

Qual é a diferença entre sensores de proximidade e sensores fotoelétricos?

Sensores de proximidade normalmente usam campos eletromagnéticos ou capacitivos para detectar a presença de objetos. Sensores fotoelétricos usam feixes de luz para detectar objetos. Existem sensores de proximidade que usam feixes de luz para detecção.

Os sensores fotoelétricos são extremamente rápidos quando comparados aos sensores de proximidade, pois usam feixes de luz para detectar objetos. Isso ocorre porque a luz viaja em velocidades muito altas. Os sensores de proximidade podem levar alguns milissegundos para detectar corretamente um objeto.

Os sensores de proximidade são relativamente mais baratos do que seus equivalentes fotoelétricos. Isso se deve à construção relativamente simples dos sensores de proximidade. Mas os sensores de proximidade são geralmente maiores do que os sensores fotoelétricos.

Os sensores fotoelétricos são mais complexos do que os sensores de proximidade, mas também têm resolução e precisão muito altas. Os sensores fotoelétricos também são mais fáceis de ajustar do que os sensores de proximidade, que às vezes requerem material de calibração adicional.

Quais são as quatro partes básicas do sensor fotoelétrico?

Existem quatro fases principais de um sensor fotoelétrico:

Fonte de Luz

Esta é a seção que trata da emissão de luz. Os sensores fotoelétricos atuais são baseados em LED (Diodos Emissores de Luz) que podem ter infravermelho (IV) ou luz visível como vermelho, verde ou azul. A maioria dos sensores usa o método modulado por pulso para enviar rajadas de pulsos contínuos para reduzir a interferência externa causada por fontes de luz semelhantes.

Receptor de luz

O circuito receptor recebe a luz refletida / emitida da fonte de luz e a converte em um sinal elétrico.

Circuito principal

O circuito principal lida com todas as funções de alto nível, como modulação de pulso para o emissor e condicionamento de sinal para o receptor. Possui ainda detector síncrono e estágio amplificador para detectar presença / ausência ou alteração no sinal recebido.

Circuito de Saída

O circuito de saída controla o sinal de saída final. Existem todos os tipos de circuitos de saída disponíveis, incluindo saídas NPN / PNP e saídas de relé. Alguns sensores podem emitir sinais analógicos e alguns podem até conduzir uma carga consideravelmente grande diretamente, em vez de fornecer apenas um sinal.

Como você configura um sensor fotoelétrico?

Os sensores fotoelétricos estão disponíveis em vários tipos de saída, incluindo saída de transistor, como PNP ou NPN e saída de relé. A figura abaixo indica a fiação da unidade emissora para um sensor de feixe direto. Fornecer 0 V ao fio rosa ligará o emissor.

 

O receptor do sensor de feixe mostrado abaixo tem saídas do tipo NPN. A saída de preto permanece em alta tensão (12 V ou 24 V com base na alimentação). Quando um objeto é detectado, ele é conectado a 0 V, fazendo com que a corrente flua através da carga conectada. Para fazer interface com sensores do tipo NPN, um PLC precisa ter uma placa de entrada do tipo PNP.

Conclusão

Neste artigo, discutimos a operação geral dos sensores fotoelétricos, a tecnologia por trás de sua operação e os tipos de sensores disponíveis na indústria. Os sensores fotoelétricos são sensores altamente precisos e precisos que são usados ​​em máquinas de alta precisão e aplicações gerais para detectar objetos.