Fotoelektrik sensörler, nesneleri algılamak için görünür veya kızıl ötesi ışık kullanan temassız sensörlerdir. Işık demetleri yayarlar ve ışık yolunda herhangi bir yabancı nesnenin varlığını tespit etmek için herhangi bir kesinti veya değişiklik için ışını gözlemlerler.  

Bu makale, farklı fotoelektrik sensör türleri ve bunların çalışma yöntemleri hakkında size genel bir anlayış kazandırmayı amaçlamaktadır. 

Fotoelektrik Sensör Nedir?

Bir fotoelektrik sensör, bir ışık kaynağı, ışık alıcısı ve bir sinyal işleme ve kontrol çıkış devresinden oluşan optik bir sensördür. Nesnelerin varlığını ve hatta bazen yüzey koşullarını da algılayabilirler.

Yayılan ışık yakındaki bir nesne tarafından kesildiğinde, ışık alıcısı bu değişikliği algılar ve sensörün çıkışını açar veya kapatır. Bazı yakınlık sensörleri, nesneye olan mesafeyi de belirleyebilir.

Fotoelektrik Sensörlerin Çalışma Prensibi

Fotoelektrik sensörlerin çalışması, ışığın birincil özelliklerine dayanmaktadır: yoğunluk, yayılma yönü, frekans ve polarizasyon. Nesnelere olan mesafeyi tespit etmek ve ölçmek için bu kavramlardan birkaçını kullanabilirler.

Işığın Özellikleri

Doğrusal Yayılım

Işık bir elektromanyetik dalga. Elektromanyetik dalgaların fiziksel özelliklerinden biri doğrusal yayılmadır. Işığın düz bir çizgide hareket etme eğilimini tanımlar. Işık dalgaları hava gibi homojen bir ortamdan (her noktasında aynı özelliklere sahip olan bir madde) geçerken bükülmezler, dolayısıyla düz bir çizgide ilerlerler.

gibi sensörler karşılıklı fotoelektrik sensörler Işınla karşılaşan nesneleri algılamak için ışığın bu özelliğini kullanın.

Kırılma

Işığın bir başka özelliği de, iki ortamı ayıran bir arayüzden geçerken yön değiştirmesidir (sapması). Örneğin, ışık havada ilerleyip suya girdiğinde, düz ışın sapar. Bunun nedeni, düzenlemedeki değişiklik kırılma indisi iki ortamda. Aşağıdaki şekil ışığın hava-cam-hava ortamlarından geçerken nasıl kırıldığını göstermektedir.

yansıma

Yansıma, ışık huzmesinin bir nesneye veya cam veya ayna gibi bir yüzeye çarptığı ve ışını kaynağa doğru yeniden yönlendirdiği fenomeni tanımlayan ışığın özelliğidir. Yansıma, gelen açının yansıma açısına eşit olduğunu açıklar, bu da ışık huzmesinin yansıdıktan sonra aynı tam yolda zıt yönde hareket etmesini sağlar.

Geri yansıtma, bir 'köşe küpü'nün kullanıldığı yansımanın geliştirilmiş bir versiyonudur. Köşe küpleri birbirine dik üç düz aynadan yapılmıştır. Bu yansıma aynı zamanda 'geri yansıma' olarak da bilinir.

Yansıtıcı yüzeyler kendilerine yöneltilen ışığı neredeyse tamamen yansıtırken, beyaz kağıt gibi bazı malzemeler ışığı her yöne yansıtabilir. Buna 'saçılma' veya 'difüzyon' denir.

polarizasyon

Bahsettiğimiz gibi, ışık bir elektromanyetik dalgadır. Elektromanyetik dalgalar, hem yatay hem de dikey olarak salınan dalgalar olarak da görülebilir. Fotoelektrik sensörlerin çoğu, günümüzde ışık kaynağı olarak LED'leri kullanır. LED'lerin yaydığı ışık, "polarize olmayan" ışık olarak bilinen hem yatay hem de dikey bileşenlere sahiptir.

Kirişin yalnızca yatay veya dikey salınımlı bileşenlere sahip olmasını sağlamak için bu bileşenlerden birini filtrelemek için 'polarizasyon filtreleri' adı verilen özel filtreler kullanabiliriz. Işık demeti daha sonra 'polarize' hale gelir.

Polarizasyon genellikle sensör herhangi bir ışık huzmesine değil, sadece özel olarak filtrelenmiş huzmeye tepki vereceğinden, harici paraziti önlemek için kullanılır.

Işık kaynakları

Optik/fotoelektrik sensörler iki tür ışık kaynağıyla gelir: darbe modülasyonlu ışık ve modüle edilmemiş ışık 

Modüle edilmiş ışık kaynakları

Darbe modülasyonlu ışık olarak da bilinen bu yöntem, nesneleri algılamak için sürekli titreşen bir ışık huzmesi kullanır. Yayılan ışık (LED), sabit bir zaman aralığında tekrar tekrar açılıp kapatılır. Bu yöntem, harici ışık girişiminin sorun olabileceği sensörlerde oldukça kullanışlıdır. Sensör yalnızca yayılan ışığın belirli frekansına duyarlı olduğundan, harici ışık kaynakları sensöre müdahale edemez ve yanlışlıkla tetikleyemez.

Modüle edilmiş ışık kaynaklarına sahip sensörler, modüle edilmemiş ışık kaynaklarına sahip sensörlerden daha yüksek bir menzile sahiptir.

Modüle edilmemiş ışık kaynağı

En basit, modüle edilmemiş ışık olmak, belirli bir ışık yoğunluğuna sahip sürekli açık bir ışındır. Modüle edilmiş ışık sensörlerinden daha hızlıdırlar, ancak dış müdahaleye eğilimlidirler.

Nirengi

Mesafe ayarlanabilen sensörlerde, 'nirengi' adı verilen bir yöntem kullanarak bir nesnenin yer değiştirmesini tespit edebiliriz. Bu sensörler, ışık huzmesinin sensör üzerine tam olarak nereye düştüğünü algılayabilen özel bir algılama elemanına sahiptir. Örneğin, nesne aşağıdaki şekilde gösterilen A konumundaysa, ışık huzmesi konum dedektöründe 'a' konumuna düşecektir. Nesne B noktasına doğru daha fazla hareket ettirilirse, ışık huzmesi de sensör üzerindeki 'b' noktasına yoğunlaşacaktır.

Fotoelektrik Sensörlerin Sınıflandırılması

Fotoelektrik sensörleri üç ana kriter kullanarak sınıflandırabiliriz: algılama yöntemi, algılama yöntemine göre seçim noktaları ve konfigürasyon.

Algılama Yöntemiyle Sınıflandırma

• Karşılıklı Sensörler
  • Geçiş sensörlerinde iki cihaz vardır: verici ve alıcı. Birbirlerine zıt olarak kurulurlar. Yayıcı bir ışık demeti yayar ve diğer taraftaki sensöre düşer. Bir nesne sensörün görüş hattına girdiğinde, ışını keser ve sensör ışığın yokluğunu bir nesnenin tespiti olarak yorumlar.

• • Işın sensörleri, birkaç santimetreden birkaç on metreye kadar bir algılama aralığına sahip olabilir. Şekil, renk ve parlaklıktan bağımsız olarak neredeyse tüm opak malzemeleri algılayabilirler.

• Dağınık-yansıtıcı Sensörler
  • Dağınık yansıtıcı sensörler, tek bir muhafaza içinde gerekli tüm donanıma sahiptir. Normal çalışma sırasında emitör bir ışık yayar ve asla sensöre geri dönmez. Işına bir nesne yerleştirildiğinde, ışığın bir kısmını sensöre geri yansıtır. Sensör, yansıyan ışık miktarını izler ve sabit bir değerden fazlaysa çıkış tetiklenir.

• • Sadece tek bir cihaz olduğundan ve çok az kalibrasyon/ayarlama gerektirdiğinden dağınık sensörlerin montajı daha kolaydır. Birkaç santimetreden birkaç metreye kadar olan nesneleri algılayabilirler.
  • Tespit edilen nesnelerin rengi ve dokusu, dağınık mod sensörlerinin performansını ve kararlılığını etkileyebilir.

• Retro-yansıtıcı Sensörler
  • Retro-yansıtıcı sensörler aynı zamanda yansıyan ışığı hem yayan hem de algılayan tek cihazlı sensörlerdir. 'Retroreflektör' adı verilen özel bir reflektör, yayılan ışığı yansıtır.
  • Bir nesne ışık huzmesini kestiğinde, yansıyan huzmenin yoğunluğu düşer ve sensör bu değişikliği algılayarak çıkışı açıp kapatabilir.
  • 
  • Geri yansıtmalı sensörler ayrıca birkaç santimetreden birkaç metreye kadar bir algılama mesafesine sahiptir. Hem şeffaf hem de opak malzemeleri algılayabilirler. Polarize filtreler gibi özel eklemelerle, aynalı yüzeyli yüzeyleri bile algılayabilirler.
  • Geri yansıtmalı sensörler, bazı uygulamalarda dezavantaj olabilen yakın mesafelerde ölü bölgeye sahiptir.
• Mesafe ayarlı Sensörler
  • Mesafe ayarlanabilen ışık huzmesi sensörleri, algılanan bir nesnenin göreli hareketini algılayabilir. Alınan ışığın sensörün neresinde yoğunlaştığını algılayabilen bir konum dedektörü sensörüne sahiptirler. Bazı sensörler, iki fotodiyot tarafından verilen ışık yoğunluklarının farkını hesaplayarak nesnenin sensöre yakın olduğunu ve diğerinin nesnenin ondan uzakta olduğunu algılayabildiği 2 parçalı bir fotodiyota sahiptir.

• • Mesafe ayarlanabilir sensör çalışması, renk veya yüzey koşulları gibi arka plan veya nesne koşullarından büyük ölçüde etkilenmez.

• Sınırlı-yansıtıcı Sensörler
  • Sınırlı yansıtıcı sensörler, mesafe ayarlı sensörlere benzer, ancak menzilleri optik olarak daha sınırlıdır. Yalnızca belirli bir mesafedeki nesneleri algılayabilirler (yayılan ışık ve alım yolunun çakıştığı alan).

• • Sınırlı yansıtıcı sensörler nesnelerin yüksekliğindeki küçük değişiklikleri algılayabilir, bu nedenle kalite kontrol uygulamaları için uygundur. Mesafe ayarlanabilir tipe benzer şekilde, sensör çalışması renk veya yüzey koşulları gibi arka plan veya nesne koşullarından büyük ölçüde etkilenmez.

Algılama Yöntemine Göre Seçim Noktaları

Belirli bir uygulama için bir fotoelektrik sensörü düşünürken birden fazla noktayı göz önünde bulundurmamız gerekir.

Bir seçerken Kirişten ve retro-yansıtıcı sensörler, aşağıdaki noktaları göz önünde bulundurun:

algılama nesnesi

• Boyut ve şekil (uzunluk x genişlik x yükseklik)
• Şeffaflık (opak, yarı şeffaf veya şeffaf)

algılayıcı

• algılama mesafesi
• Boyut ve şekil kısıtlamaları (sensör ve herhangi bir reflektör)
• Yan yana montaj ihtiyacı
  • Birim sayısı
  • Montaj adımı
  • Kademeli montaj ihtiyacı
• Montaj kısıtlamaları
  • açı
  • açıklık 

çevre

• Ortam sıcaklığı, nem
• Sıçrayan su, kimyasallar ve yağ varlığı

Uygulama gerektiriyorsa dağınık yansıtıcı, mesafe ayarlı veya sınırlı mesafe ayarlı sensör, özelliklerini kontrol edin;

algılama nesnesi

• Boyut ve şekil (uzunluk x genişlik x yükseklik)
• Renk
• Malzeme (çelik, ahşap, kağıt, SUS vb.)
• Yüzey kaplaması (gloxxy, dokulu vb.)
• seyahat hızı

algılayıcı

• algılama mesafesi
• Boyut ve şekil kısıtlamaları (sensör ve herhangi bir reflektör)
• Yan yana montaj ihtiyacı
  • Birim sayısı
  • Montaj adımı
  • Kademeli montaj ihtiyacı
• Montaj kısıtlamaları
  • açı
  • açıklık 

çevre

• Ortam sıcaklığı, nem
• Sıçrayan su, kimyasallar ve yağ varlığı

Konfigürasyona Göre Sınıflandırma

Fotoelektrik sensörler ayrıca fiziksel konfigürasyonlarına göre de kategorize edilebilir. Verici, Alıcı, Amplifikatör ve Kontrolör olmak üzere dört ana bölümü vardır.

Ayrı Amplifikatörlü Sensörler

Karşılıklı tip fotoelektrik sensörler gibi sensörler genellikle ayrı bir ünite olarak amplifikatör devresine sahiptir. Geçişli ışın tipi için, Verici ve Alıcı da farklı muhafazalara yerleştirilmiştir. Yansıtıcı sensörler, ayrı bir amplifikatör ünitesi ile birlikte entegre bir verici ve alıcıya sahiptir.

Bu düzenleme, sensörlerin dar alanlara monte edilmesi gerektiğinde kullanışlı olabilir ve hassasiyetlerini ayarlamak için kolayca erişilemeyecek. Ancak, amplifikatör sensörlerden uzağa monte edildiğinden, sinyal elektriksel gürültüye karşı da hassastır.

Dahili Amplifikatör Sensörleri

Bu tip, amplifikatör ünitesi de dahil olmak üzere sensörün dört ana bileşeninden oluşur. Entegre yükselticilere sahip uzun huzmeli sensörlerin çoğunda alıcı, yükseltici ve kontrolör alıcıda yerleşik olarak bulunur ve emitör ayrı bir birim olarak kalır. Açmak için yalnızca harici güce ihtiyaç duyarlar.

Yerleşik amplifikatör sensörleri, amplifikatörleri olmayanlara göre nispeten daha az kablolamaya ihtiyaç duyar. Bu nedenle, elektriksel gürültüden etkilenme olasılıkları çok daha düşüktür çünkü ilgili sinyal kabloları yoktur.

Dahili Güç Kaynaklı Sensörler

Bu tip fotoelektrik sensörler, motorlar veya ampuller gibi yüksek güçlü bir yükü doğrudan çalıştırabilir. Kendi güç kaynağı devrelerine sahiptirler ve doğrudan ticari güç kaynaklarına bağlanabilirler. (ayrı güç kaynağı ünitelerine gerek yoktur).

Bununla birlikte, yayıcı, alıcı, amplifikatör ve kontrol devresinin yanı sıra tüm güç elektroniği ve güç kaynağı devresini içermeleri gerektiğinden, ayak izi açısından da çok daha büyüktürler.

Alan Sensörleri

Alan sensörleri, birden fazla ışın kullanarak nesneleri algılayabilen karşılıklı ışın sensörlerinin değiştirilmiş bir versiyonudur. Küçük parçalar gibi farklı yönlenme yüksekliklerine sahip olabilecek nesneleri tespit ederken kullanışlıdırlar.

Fotoelektrik Sensörün Özellikleri

Fotoelektrik sensörlerin en kullanışlı özelliği, herhangi bir cismi temas etmeden algılayabilmeleridir. Limit anahtarları gibi sensörlerin aksine, ışık kullanarak bir nesnenin varlığını algılarlar. Ayrıca nelerin tespit edilebileceği konusunda herhangi bir kısıtlamaları yoktur; doğru fotoelektrik sensör, algılama sınırlamaları dahilindeki herhangi bir nesneyi algılayacaktır.

Fotoelektrik sensörler de son derece hızlıdır ve hassas uygulamalar için çok yüksek çözünürlüğe sahiptir. Ayrıca manyetik ve ultrasonik muadillerine kıyasla 10 metreyi aşan en yüksek algılama mesafesine sahiptirler.

Işık huzmesi çıplak gözle görülebildiğinden (yalnızca görünür ışık yayan modeller için) fotoelektrik sensörleri hizalamak, kalibre etmek ve ayarlamak da çok kolaydır.

Fotoelektrik Sensör Hassasiyet Ayarı

Fotoelektrik sensörlerin hassasiyetini ayarlamak çok basittir. Bazı sensörler 'teach-in' adı verilen özel bir düğmeden oluşurken, diğerleri tornavidayla çevirebileceğimiz bir potansiyometre ile donatılmıştır. Tipik bir fotoelektrik sensörün iki gösterge LED'i vardır, biri güç göstergesi için yeşil ve biri mevcut çıkış durumunu göstermek için turuncu bir LED'e sahiptir.

Potansiyometre tipinin hassasiyetini ayarlamak için, hiçbir nesne olmadığında potansiyometreyi saat yönünün tersine tamamen çevirin. Ardından nesneyi sensörün önüne yerleştirin ve potansiyometreyi turuncu LED yanana kadar saat yönünde çevirin. 

Fotoelektrik Sensörler Nerelerde Kullanılır?

Fotoelektrik sensörler, birçok temassız nesne algılama uygulamasında bulunur. İçerirler,

• Konveyör hattında hareket eden nesneleri kontrol etme ve sayma
• Renkleri algılama
• Mesafeleri ölçme
• Yer değiştirme ölçümü
• Yakınlık algılama (bir nesnenin varlığı/yokluğu)

Yakınlık Sensörleri ile Fotoelektrik Sensörler arasındaki fark nedir?

Yakınlık sensörleri, nesnelerin varlığını algılamak için tipik olarak elektromanyetik veya kapasitif alanlar kullanır. Fotoelektrik sensörler, nesneleri algılamak için ışık huzmeleri kullanır. Algılama için ışık huzmeleri kullanan yakınlık sensörleri vardır.

Fotoelektrik sensörler, nesneleri algılamak için ışık ışınları kullandıklarından, yakınlık sensörleriyle karşılaştırıldığında son derece hızlıdır. Bunun nedeni ışığın çok yüksek hızlarda hareket etmesidir. Yakınlık sensörlerinin bir nesneyi doğru şekilde algılaması birkaç milisaniye kadar sürebilir.

Yakınlık sensörleri, fotoelektrik muadillerine göre nispeten daha düşük maliyetlidir. Bu, yakınlık sensörlerinin nispeten basit yapısından kaynaklanmaktadır. Ancak yakınlık sensörleri genellikle fotoelektrik sensörlerden daha büyüktür.

Fotoelektrik sensörler, yakınlık sensörlerinden daha karmaşıktır, ancak aynı zamanda çok yüksek çözünürlük ve doğruluğa sahiptirler. Fotoelektrik sensörlerin ayarlanması, bazen ek kalibrasyon malzemesi gerektiren yakınlık sensörlerine göre daha kolaydır.

Fotoelektrik sensörün dört temel parçası nelerdir?

Bir fotoelektrik sensörün dört ana aşaması vardır:

Işık kaynağı

Bu, ışık yayılımını işleyen bölümdür. Günümüz fotoelektrik sensörleri, kızılötesi (IR) veya kırmızı, yeşil veya mavi renk gibi görünür ışığa sahip olabilen LED'e (Işık Yayan Diyotlar) dayanmaktadır. Çoğu sensör, benzer ışık kaynaklarının neden olduğu harici paraziti azaltmak için sürekli darbe patlamaları göndermek için darbe modülasyonlu yöntemi kullanır.

Işık Alıcısı

Alıcı devre, ışık kaynağından yansıyan/yayılan ışığı alır ve bunu bir elektrik sinyaline dönüştürür.

Ana devre

Ana devre, verici için darbe modülasyonu ve alıcı için sinyal koşullandırma gibi tüm yüksek seviyeli işlevleri yönetir. Ayrıca, alınan sinyaldeki varlığı/yokluğu veya bir değişikliği algılamak için bir senkron dedektör ve bir amplifikatör aşamasına sahiptir.

Çıkış Devresi

Çıkış devresi, son çıkış sinyalini kontrol eder. NPN/PNP çıkışları ve röle çıkışları dahil olmak üzere her türlü çıkış devresi mevcuttur. Bazı sensörler analog sinyaller verebilir ve hatta bazıları yalnızca bir sinyal sağlamak yerine doğrudan önemli ölçüde büyük bir yükü çalıştırabilir.

Fotoelektrik Sensörü nasıl kurarsınız?

Fotoelektrik sensörler, PNP veya NPN gibi transistör çıkışı ve röle çıkışı dahil olmak üzere çoklu çıkış tiplerinde mevcuttur. Aşağıdaki şekil, bir uzun huzme sensörü için emitör ünitesinin kablolamasını gösterir. Pembe kabloya 0V verilmesi emitörü açacaktır.

 

Aşağıda gösterilen uzun huzme sensörünün alıcısı NPN tipi çıkışlara sahiptir. Siyah çıkış, yüksek voltajda (beslemeye bağlı olarak 12V veya 24V) kalır. Bir nesne algılandığında, 0V'a bağlanır ve akımın bağlı yükten geçmesine neden olur. NPN tipi sensörlerle arayüz oluşturmak için bir PLC'nin PNP tipi bir giriş kartına sahip olması gerekir.

Sonuç

Bu yazıda, fotoelektrik sensörlerin genel işleyişini, çalışmalarının arkasındaki teknolojiyi ve endüstride bulunan sensör türlerini tartıştık. Fotoelektrik sensörler, nesneleri algılamak için yüksek hassasiyetli makinelerde ve genel uygulamalarda kullanılan oldukça hassas ve hassas sensörlerdir.