سنسور نوری چیست؟

مقدمه

۱٫۱ معرفی

از شما بابت ثبت نام در دوره‌ آموزشی سنسورهای نوری تشکر می‌کنیم.

این دوره برای افرادی که با سنسورهای نوری در تماس هستند، طراحی شده است.

در این دوره فرض ما بر آن است که شما درسنامه ورود به دنیای اتوماسیون صنعتی را گذرانده‌اید
یا اینکه تا حدودی با صنعت اتوماسیون و کاربردهای تایمرها در کارخانه‌ها سر و کار داشته‌اید.
در این دوره مطالبی پیرامون انتخاب و استفاده از تایمرهای صنعتی را می‌آموزیم.

در این دوره در مورد عملکرد و اجزای اصلی سنسورهای نوری و همچنین انواع حساسیت‌هایی که در اتوماسیون صنعتی از آنها بسیار نام برده می‌شود، خواهیم آموخت.
همچنین مثال‌هایی از کاربردهای سنسورهای نوری در صنعت و زندگی روزمره مطرح می‌کنیم.

برای شما آرزوی موفقیت می‌کنیم.

به امید فردای بهتر کشور عزیزمان ایران

۱٫۲ مسیر و زمان یادگیری

این دوره به سه بخش زیر تقسیم‌بندی می‌شود:

بخش اول: ساختار سنسورهای نوری

بخش دوم: شرایط کاری

بخش سوم: پرکاربردترین سنسورهای نوری

پس از پایان هر درس سوالاتی به منظور آماده‌سازی شما برای امتحان پایانی طراحی شده است.

با انجام کوئیزها خودتان را برای امتحان پایانی گرم کنید.

این درس حدود ۱٫۵ساعت به طول خواهد انجامید.

۱٫۳ نتایج حاصل از این دوره

بر اساس اطلاعاتی که در این دوره ارائه می‌شود و همچنین منابع پیشنهاد شده، آموزندگان بصورت صحیح می‌توانند که:

  1. مزیت‌های استفاده از سنسورهای نوری نسبت به سنسورهای دیگر را برشمارند.
  2. امکانات و تجهیزات اصلی سنسورهای نوری را شناسایی کنند.
  3. چهار روش اصلی تشخیص اجسام توسط سنسورها نوری را توضیح داده و ویژگی‌ها و معایب این سنسورها را برشمارند.
  4. پنج تا از پرکاربردترین سنسورهای نوری شرکت امرن را برشمرده و ویژگی‌های آن را برشمارند.

بخش اول: ساختار سنسورهای نوری

۲٫۱ نیاز به سنسورهای نوری

بخش اول: ساختار سنسورهای نوری

سنسورهای نوری (PES) (Photo Electric Sensors) توانایی تشخیص جنبه‌های فیزیکی مختلفی را دارند.از سنجش یک بطری درحال حرکت بر روی نوار نقاله گرفته تا سنجش و مراقبت کردن از ربات‌های میلیون دلاری که قطعات مختلف را بلند کرده و درون یک خودرو قرار می‌دهند.

تصور کردن دنیا بدون سنسورهای نوری بسیار دشوار است؛ بدون این سنسورها همچون افراد نابینا در دنیای اتوماسیون صنعتی و کارخانجات هستیم.

در این درس ابتدا به سراغ ساختار سنسورهای نوری و مزیت‌ها و معایب آنها می‌رویم. سپس نگاهی گذرا به طراحی ساختار درونی این سنسورها می‌اندازیم.

۲٫۲ ویژگی‌های سنسورهای نوری

ویژگی‌ها و مزیت‌های اصلی سنسورهای نوری در مقایسه با دیگر انواع سنسورها از جمله سنسورهای لمسی و سنسورهای مجاورتی چیست؟ چرا تمایل به این سنسورها زیاد شده است؟

سنسورهای فوتو الکتریک:

  • نیازی به تماس با اشیاء ندارند.
  • توانایی تشخیص اجسام از فواصل دور را دارند.
  • دیرتر خراب شده و دوام طولانی دارند.
  • سرعت پاسخ‌دهی بالایی دارند(مثلا کمتر از یک میلی ثانیه)
  • توانایی تشخصی اشیاء و مواد مختلف را دارند.

این چند مورد فقط بخشی از ویژگی‌های اصلی سنسورهای نوری است. این سنسورها از پرفروش‌ترین تجهیزات صنعتی در شرکت‌های معتبر می‌باشند.

۲٫۳ طراحی و ساختار سنسورهای نوری

طراحی داخلی

سنسورهای نوری از ساختار داخلی ساده‌ای برخوردار بوده و اساسا هر سنسور نوری از سه جزء اصلی تشکیل می‌شود:

  1. فرستنده (Emitter)
  2. گیرنده (Receiver)
  3. مدار خروجی

فرستنده (Light emitter)

امروزه سنسورهای نوری با LEDهای نیمه‌هادی کار می‌کنند.(LED = Light Emitting Diode)

نوری که از سنسور فرستاده می‌شود از نوع داده‌های قطار پالسی است. استفاده از این الگوریتم پالسی مشخص، به سنسور این امکان را می‌دهد که بین نور ارسالی از سنسور و نورهای محیطی مانند نور خورشید تمایز قائل شود.

رایج‌ترین LEDهایی که در صنعت و سنسورها به کار برده می‌شود عبارتند از LED قرمز، LED مادون قرمز (نور نامرئی) و دیود لیزری. همچنین برای بعضی از کاربردهای خاص از LEDهای سبز یا سفید استفاده می‌شود.

گیرنده (Receiver)

گیرنده‌ی یک سنسور معمولا از نوع ترانزیستوری است. گیرنده می‌تواند نور را تشخیص داده و به یک سیگنال آنالوگ کوچک تبدیل کند.

امروزه اغلب سنسورهای نوری از یک مدار مجتمعی که Application Specific Integrated Circuit) ASIC) نامیده می‌شود، استفاده می‌کنند. جایی که عناصر مورد نیاز، تقویت کننده‌‌گی، پردازش و عملکرد سنسورها به صورت مجتمع بر روی یک IC نیمه هادی قرار گرفته‌اند.

آخرین ورژن‌هایِ سنسورهای نوری شرکت امرن به این شیوه تولید می‌شوند.

برای تشخیص عبور اجسام و احساس کردن اجسام توسط سنسور نوری، روش‌های مختلفی وجود دارد. گیرنده ممکن است عبور یک شیء را به صورت مستقیم و قطع شدن سیگنال دریافتی از امیتر تشخیص دهد (سنسور نوری دو طرفه) یا اینکه با بازتاب نور از اجسام، عبور آنها را تشخیص دهد (سنسور نوری یک طرفه). در بخش بعدی همه‌ی حالت‌های کاری سنسورهای نوری را بررسی خواهیم کرد.

بخش خروجی

مدار خروجی سیگنال آنالوگ دریافتی از گیرنده (مدار ASIC درون گیرنده) را به یک سیگنال ON/OFF تقویت شده تبدیل می‌کند، تا بتوانیم از این سیگنال تقویت شده در شمارنده‌ها و تایمرها یا کاربردهای دیگر استفاده کینم.

اگرچه هنوز هم طراحی‌های قدیمی، که با منبع تغذیه و رله‌های خروجی ساخته می‌شدند، رایج تر هستند اما امروزه در سنسورهای نوری از ترانزیستورهای NPN و PNP در خروجی‌شان استفاده می‌شود.

همچنین برخی از سنسورها این قابلیت را دارند که سیگنال‌‎ آنالوگی را برای برخی کاربردها و نیازهایمان تولید کنند.

۲٫۴ تنظیم کننده‌ها و اندیکاتورها

تنظیم کننده‌ها

سنسورهای استاندارد نوری دارای دو پیچ تنظیم‌ کننده‌ی سنسور هستند:

۱- سوئیچ تنظیم کننده‌ی آستانه (Threshold adjuster)

اپراتور می‌تواند مقدار ترشولد (سطحی از ولتاژ سیگنال است که متناسب با نوع سنسور، برای مقادیر کمتر یا بیشتر از آن، سنسور به خروجی سیگنالی را ارسال کرده و عبور جسم را اطلاع می‌دهد) را تنظیم کند یا به عبارت دیگر میزان ماندگاری نوری که به خروجی نمایان می‌شود.

اگر نور دریافتی برابر یا بیشتر از آستانه باشد، یک خروجی تولید می‌شود، در عمل افزایش یا کاهش ترشولد در افزایش برد و فاصله‌ای که می‌توان اجسام را احساس کرد تاثیر دارد.

از تنظیم کننده‎‌ی آستانه می‌توان به منظور تشخیص اشیاء کوچتر یا اجسام نیمه شفاف توسط سنسور استفاده کرد.

در محصولات شرکت امرن از یک پیچِ پتانسیومتر (پیچ مقسم ولتاژ) به منظور تغییر ترشولد و آستانه نور استفاده می‌شود.

۲- سوئیچ Light-On/Dark-On

این سوئیچ، سیگنال خروجی سنسور را معکوس می‌کند. در بخش بعدی در مور این سوئیچ‌ها صحبت خواهیم کرد.

اندیکاتورها ( نشانه‌گرها)

اکثر سنسورهای نوری، دو اندیکاتور دارند.

۱- اندیکاتور سبز

اندیکاتور سبز مواقعی که سنسور در حالت پایدار قرار دارد، روشن است. به این معنا که سنسور یک سیگنال ON یا OFF مستقل را دریافت می‌کند. همچنین از این اندیکاتور در هنگام نصب یا تنظیم کردن سنسور می‌توان استفاده کرد. در واقع روشن بودن این اندیکاتور به معنای نصب درست و فعال بودن سنسنور می‌باشد.

۲- اندیکاتور قرمز/نارنجی

این اندیکاتور مواقعی که سنسور، جسمی را احساس کند، روشن می‌شود.

در شکل زیر یکی از معروف‌ترین سنسورهای نوری شرکت امرن (E3Z) را مشاهده می‌کنیم. سعی کنید هر قسمت را مشخص کنید.

  • Light-On/Dark-On switch
  • اندیکاتورها
  • تنظیم‌کننده‌ی حس کردن
  • گیرنده
  • فرستنده
  • خروجی و کابل اتصال به منبع تغذیه

به ترتیب ۱ – ۶ – ۲ – ۳ – ۴ – ۵

بخش دوم: شرایط کاری

۳٫۱ شرایط کاری سنسورهای نوری

بخش دوم: شرایط کاری

در این بخش بر روی ۴ حالت کاری اصلی سنسورهای نوری تمرکز می‌کنیم.

  • سنسور نوری دو طرفه Through-beam
  • سنسور نوری آینه‌ای Retro-reflective
  • سنسور نوری یک طرفه Diffuse-reflective
  • نوعی خاص از سنسورهای نوری یک طرفه ackground-Suppression

در این بخش با جزئیات بیشتر به بررسی این چهار حالت پرداخته و بررسی اجمالی‌ای پیرامون مزیت‌ها و معایب هر حالت و کاربرد هرحالت، خواهیم داشت.

۳٫۲ سنسورهای نوری دو طرفه

در سنسورهای نوری دو طرفه یا به اصطلاح Throughbeam sensors، بخش فرستنده و گیرنده از یکدیگر مجزا هستند. فرستنده پرتو نوری را ارسال کرده و قسمت گیرنده پرتو نور را دریافت می‌کند. اگر جسمی بین فرستنده و گیرنده قرار بگیرد، پرتو نور قطع شده و گیرنده سیگنالی را ارسال می‌کند.

ویژگی‌ها:

  • توانایی تشخیص در فواصل زیاد و حافظه‌ی بالا (مثلا مدل E3Z-T82 شرکت امرن، توانایی تشخیص تا فاصله‌ی ۳۰m را دارد.
  • تشخیص موقعیت دقیق اشیاء
  • قابل اعتماد بودن و خطای بسیار ناچیز (تشخیص تمامی اشیاء به جز اجسام بسیار شفاف امکان پذیر است)

معایب:

  • زمان زیاد برای تنظیم کردن و به کار انداختن
  • نیاز به دو کابل اتصال ( نصب و سیم‌کشی طولانی‌تر)
  • هزینه بیشتر

کاربردها

  1. گیت‌های ورودی. معمولاً در گیت‌های ورودی شیشه‌های خاکستری یا بی‌رنگ وجود دارد. برای تشخیص عبور افراد در این شیشه‌ها بایستی از سنسورهای با قدرت تشخیص بالا استفاده کرد.
  2. محیط‌های سخت، جاهایی که به سنسورهای با حافظه بالا و ذخیره‌سازی قوی نیاز است مانند کارواش‌ها و محیط‌های آلوده.
  3. در اتوماسیون کارخانه‌ها، به خصوص مواقعی که جاگذاری دقیق اشیاء نیاز است.

۳٫۳ سنسورهای نوری آینه‌ای

در سنسورهای نوری یک‌ طرفه، نور از طریق فرستنده به یک منشور (که وظیفه‌ی جمع کردن نور و انتشار در یک پرتو کوچک را دارد) فرستاده شده و دوباره از منشور به سمت گیرنده باز می‌گردد.( گیرنده و فرستنده در کنار هم هستند)

فیلتر قطبی (عملکرد MSR)

امروزه در اغلب سنسورهای نوری آینه‌ای از خاصیت فیلتر قطبی به منظور افزایش ایمنی و جلوگیری از خطای ناشی از بازتاب نور توسط اجسام براق و روشن، استفاده می‌شود.

در انیمیشن زیر مشاهده می‌کنیم که چگونه یک سنسور نوری آینه‌ای بدون بهره‌مندی از فیلتر قطبی، در تشخیص یک جسم براق (که بازتاب‌دهنده نور است و مانند آینه عمل می‌کند) دچار اشتباه شده و عبور این جسم را تشخیص نمی‌دهد.

برای جلوگیری از این اشتباه از یک روش جالب استفاده می‌کنیم. پرتوهای نوری که از فرستنده ارسال می‌شود در واقع موج‌های نوریی هستند و قابلیت خاصی که موج‌های نور دارند این است که می‌توانیم به آنها در آن زاویه‌ای که مطلوبمان است، جهت داده و زاویه‌ی تابش آنها را تغییر دهیم. به تصویر زیر دقت کنید:

در نتیجه از یک فیلتر برای تنظیم زاویه‌ی پرتوی نور در فرستنده و از یک فیلتر با زاویه‌ی شیفت یافته به اندازه‌ی ۹۰ درجه در گیرنده استفاده می‌کنیم. چرا؟

منشور به نحوی عمل کرده که پرتو نور دریافتی را به اندازه‌ی ۹۰ درجه(عمودی یا افقی) تغییر زاویه داده و یک مسیر نور پایدار بین فرستنده و گیرنده با اختلاف فازی ۹۰ درجه قرار دارد. در این حالت چون انعکاس پرتو از طریق اجسام شفاف، زاویه‌ی پرتو نور را تغییر نمی‌دهد، در نتیجه گیرنده تشخیص می‌دهد که این نور مربوط به منشور نبوده و اعلام sense کردن می‌کند.

به انیمیشن زیر (تغییرات زاویه‌ی نور بازتاب شده و اندیکاتور قرمز) توجه کنید:

در محصولات شرکت امرن، این تکنولوژی را Mirror Surface reflection) MSR) می‌نامند.

اکثر سنسورهای نوری استاندارد دارای دو لنز چشمی مجزا برای فرستنده و گیرنده هستند.
این کار مزیت‌های زیر را دارد:

  • برد بیشتر (توانایی تشخیص در فواصل دورتر)
  • امکان بهره‌مندی از فیلتر قطبی (MSR)
  • هزینه‌ی تولید کمتر نسبت به تک لنزها

اما استفاده از دو لنز یک عیب دارد و آنهم مواقعی که فاصله‌ی سنسور با بازتاب‌دهنده خیلی کم باشد؛ پرتوهای نور به میزان کمی بازگشت داده شده و ممکن است که گیرنده در تشخیص خود دچار اشتباه شده و احساس کند که چیزی عبور کرده است.

این اتفاق درمواردی بحرانی می‌شود که مثلا از سوخت‌های بازتاب‌دهنده و شفاف استفاده می‌کنیم و فاصله سنسور با بازتاب‌دهنده نبایستی زیاد باشد.

فاصله‌ی سنسور و بازتاب‌دهنده بایستی حداقل ۱۵۰ میلی متر باشد.

برای برطرف کردن این مشکل و استفاده از سنسور در مواقعی که فاصله‌ی بین سنسور و منشور بایستی کمتر از این مقدار باشد، مدل‌های منحصر به فردی از سنسورها وجود دارد. در این مدل‌ها گیرنده و فرستنده دارای یک لنز مشترک بوده که یک آینه‌ی نیمه‌شفاف درون سنسور جای داده شده است.

در این حالت فاصله بین سنسور و بازتاب دهند می‌تواند کمتر از صفر نیز باشد!

سنسورهای با این مدل لنز را co-axial sensor می‌‎نامند. برای تشخیص بطری‌های شیشه‌ای شفاف، این مدل سنسورها بسیار کاربرد دارند.

کاربردها

سنسورهای نوری آینه‌ای، پرکاربردترین سنسورهای نوری‌ای هستند که در اتوماسیون کارخانه استفاده می‌شوند.

این سنسورها در میان سنسورهای نوری از نظر قدرت تشخیص، برد قابل تشخیص و قیمت مناسب، بهترین توازن را دارند و به همین خاطر از انواع دیگر پرکاربردتر هستند.

از جمله کاربردهای این سنسورها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • نوار نقاله‌ها
  • اتوماسیون کارخانجات
  • تشخیص بطری‌های خالی و شفاف
  • گیت‌ها و درهای ورودی (در ساختمان‌سازی‌ها)

۳٫۴ سنسورهای نوری یک‌ طرفه

سنسورهای نوری یک طرفه، پرتوی نور را از فرستنده ارسال می‌کند. اجسامی که از جلوی سنسور عبور کرده، پرتو نور به آنها می‌خورد و قسمتی از نور به گیرنده‌ی سنسور باز تابانده می‌شود تا عبور اجسام شتخیص داده بشود.

مزایا

  • راحتی نصب و تنظیم کردن
  • یک تکه بودن و کاهش هزینه

معایب

  • برد کم( توانایی تشخیص برای مسافت‌های کم-مثلا E3Z-D نهایتاً ۱ متر)
  • خطا در تشخیص رنگ‌های خیلی سفید یا خیلی سیاه. برد سنسور و مسافتی که قادر به تشخیص اجسام است، بسیار وابسته به رنگ، ابعاد و ساختار اجسام دارد.
  • در نمودار زیر، تاثیر تفاوت رنگ سطح اجسام مختلف در سنس کردن سنسور را مشاهده می‌کنیم. از سه جسم با سطح جانبی سفید، مشکی و فولاد ضد زنگ استفاده شده است.

  • دقت و اطمینان کمتر نسبت به سنسورهای دوطرفه و آینه‌ای
  • اگر پشت اجسامی که می‌خواهیم شمارش کنیم، سطحی براق و روشن باشد، عملا از این سنسورها نمی‌توانیم استفاده کنیم.

در انیمیشن زیر به اندیکاتور دقت کنید، چراغ اندیکاتور در هر دو حالت خاموش است:

کاربردها

از این سنسورها معمولا مواقعی استفاده می‌شود که نصب انعکاس‌دهنده دشوار است یا مواقعی که به دقت زیادی برای تشخیص نیاز نداریم. ( سرعت کم تغییرات و تشخیص نسبتا اسان اشیاء)

از جمله کاربردهای این سنسورها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • اتوماسیون صنعتی در زمینه‌ی حمل‌
  • صنعت تولید سرامیک ( مواردی که با پرتوهای گسترده سر و کار داریم)

تا به اینجای کار با سه مدل اصلی از سنسورهای نوری آشنا شدیم و مزایا و معایب هریک را آموختیم.

در فیلم آموزشی زیر مطالب قبلی را جمع بندی کرده و این سه مدل را در کنار هم مقایسه می‌کنیم.

بخش سوم: پرکاربردترین سنسورهای نوری
۴٫۱ پرکاربردترین سنسورهای نوری شرکت امرن

شرکت امرن یکی‌از معروف‌ترین شرکت‌های تولیدکننده‌ی سنسورهای نوری می‌باشد. این شرکت، مدل‌های مختلف و متنوعی از این سنسورها را برای هرکاربردی که تصور کنید، ارائه می‌دهد. در این درس به بررسی خانواده‌های اصلی سنسورهای نوری پرداخته که بالغ بر ۹۰% از نیازهایمان را برطرف می‌کنند.

خانواده‌ی E3Z (پرکاربردترین سنسورهای نوری استاندارد برای مصارف مختلف)

خانواده‌ی E3F2 (سنسورهای نوری استاندارد در گروه M18)

خانواده E3T (سنسورهای نوری مینیاتوری برای فضاهای کوچک)

خانواده‌های E3JK و E3JM (سنسورهای نوری ساخته شده با منبع تغذیه و رله) (نه ترانزیستوری)

خانواده E3X (سنسورهای فیبر نوری برای تشخیص اشیاء بسیار کوچک و با بردهای بسیار بالا)

توسط | ۱۳۹۷-۸-۱۰ ۰۱:۴۷:۱۷ +۰۳:۳۰ ۱۹ خرداد ۱۳۹۷|اتوماسیون صنعتی, دسته‌بندی نشده دسته بندی ها|بدون ديدگاه

در باره نویسنده :

ما یه هدف مشترک داریم و میخوایم مهارت هایی که توی صنعت لازمه رو به افراد آموزش بدیم تا روزی که کالای ایرانی در دنیا بهترین باشه. اگه شما هم هدفتون همینه، نماتکی بشید. (:

ثبت ديدگاه

در کمتر از 20 ثانیه عضو شوید و بیش از 100 آموزش رایگان در اختیار شماست.
ویدئوها را برایم بفرست
ما هم مثل شما از ایمیل های تبلیغاتی بیزاریم.
Close