سنسور نوری چیست؟ (معرفی ۳ نوع کلی)

سنسورها قطعات پایه ای در صنعت های مختلف هستند، یکی از مهم ترین آن ها سنسور نوری است که در صنایع مختلف کاربرد دارد.

در نگاه اول به سنسورها، روش کار آن ها بسیار پیچیده به نظر میاید ولی در باطن به این نحو نیستند.

در این مقاله به معرفی کامل سنسور نوری، ساختار، ویژگی ها و انواع آن می پردازیم.

1# ساختار سنسور نوری

سنسورهای نوری (PES) (Photo Electric Sensors) توانایی تشخیص جنبه های فیزیکی مختلفی را دارند.

از سنجش یک بطری در حال حرکت بر روی نوار نقاله گرفته تا سنجش و مراقبت کردن از ربات های میلیون دلاری که قطعات مختلف را بلند کرده و درون یک خودرو قرار می دهند.

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

در ابتدا به سراغ ساختار سنسورهای نوری و مزیت ها و معایب آن ها می رویم، سپس نگاهی گذرا به طراحی ساختار درونی این سنسورها می اندازیم.

2# ویژگی های سنسور نوری

ویژگی ها و مزیت های 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؟

ویژگی های سنسورهای فوتو الکتریک از این قرارند:

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

این چند مورد فقط بخشی از ویژگی های اصلی سنسورهای نوری است.

این سنسورها از پرفروش ترین تجهیزات صنعتی در شرکت های معتبر هستند.

3# طراحی و ساختار سنسور نوری

سنسورهای نوری از ساختار داخلی ساده ای برخوردار بوده و اساسا هر سنسور نوری از سه جز اصلی تشکیل می شود:

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

1-3# فرستنده (Light emitter)

امروزه سنسورهای نوری با LED های نیمه هادی کار می کنند. (LED = Light Emitting Diode)

نوری که از سنسور فرستاده می شود از نوع داده های قطار پالسی است.

استفاده از این الگوریتم پالسی مشخص به سنسور این امکان را می دهد که
بین نور ارسالی از سنسور و نورهای محیطی مانند نور خورشید تمایز قائل شود.

رایج ترین LED هایی که در صنعت و سنسورها به کار برده می شود عبارتند از LED قرمز، LED مادون قرمز (نور نامرئی) و دیود لیزری.

همچنین برای بعضی از کاربردهای خاص از LED های سبز یا سفید استفاده می شود.

2-3# گیرنده (Receiver)

گیرنده یک سنسور معمولا از نوع ترانزیستوری است. گیرنده می تواند 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 می شود، استفاده می کنند.

جایی که عناصر مورد نیاز، تقویت کنندگی، پردازش و عملکرد سنسورها به صورت مجتمع بر روی یک IC نیمه هادی قرار گرفته اند.

آخرین ورژن های سنسورهای نوری شرکت امرن به این شیوه تولید می شوند.

برای تشخیص عبور اجسام و احساس کردن اجسام توسط سنسور نوری، روش های مختلفی وجود دارد.

گیرنده ممکن است عبور یک شی 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 آن ها را تشخیص دهد (سنسور نوری یک طرفه).

در بخش بعدی همه حالت های کاری سنسورهای نوری را بررسی خواهیم کرد.

3-3# بخش خروجی

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

اگرچه هنوز هم طراحی های قدیمی که با منبع تغذیه و رله های خروجی ساخته می شدند، رایج تر هستند؛ اما
امروزه در سنسورهای نوری از ترانزیستورهای NPN و PNP در خروجی شان استفاده می شود.

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

4# تنظیم کننده های سنسور نوری

سنسورهای استاندارد نوری دارای دو پیچ تنظیم کننده سنسور هستند:

1-4# سوئیچ تنظیم کننده آستانه (Threshold adjuster) سنسور نوری

اپراتور می تواند مقدار ترشولد* یا به عبارت دیگر میزان ماندگاری نوری که به خروجی نمایان می شود، را تنظیم کند.

* 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 می دهد.

اگر نور دریافتی برابر یا بیشتر از آستانه باشد، یک خروجی تولید می شود، در عمل افزایش یا کاهش ترشولد در افزایش برد و فاصله ای که می توان اجسام را احساس کرد تاثیر دارد.

از تنظیم کننده‎ آستانه می توان به منظور تشخیص اشیا کوچتر یا اجسام نیمه شفاف توسط سنسور استفاده کرد.

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

2-4# سوئیچ Light-On/Dark-On سنسور نوری

این سوئیچ، سیگنال خروجی سنسور را معکوس می کند. در بخش بعدی در مور این سوئیچ ها صحبت خواهیم کرد.

5# نشانه گرهای سنسور نوری

اکثر سنسورهای نوری، دو اندیکاتور یا نشانه گر دارند.

1-5# 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 می کند.

همچنین از این اندیکاتور در هنگام نصب یا تنظیم کردن سنسور می توان استفاده کرد.

در واقع روشن بودن این اندیکاتور به معنای نصب درست و فعال بودن سنسور است.

2-5# اندیکاتور قرمز/نارنجی

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

در شکل زیر یکی از معروف ترین سنسورهای نوری شرکت امرن (E3Z) را مشاهده می کنیم.

1. Light-On/Dark-On switch
2. تنظیم کننده حس کردن
3. گیرنده
4. فرستنده
5. خروجی و کابل اتصال به منبع تغذیه
6. اندیکاتورها

6# شرایط کاری سنسور نوری

در این بخش بر روی 4 حالت کاری اصلی سنسورهای نوری تمرکز می کنیم.

• دو طرفه Through-beam
• آینه ای Retro-reflective
• یک طرفه Diffuse-reflective
• نوعی خاص از سنسورهای نوری یک طرفه background-Suppression

در این بخش با جزئیات بیشتر به بررسی این چهار حالت پرداخته و
بررسی اجمالی ای پیرامون مزیت ها و معایب هر حالت و کاربرد هرحالت، خواهیم داشت.

7# انواع سنسور نوری

1-7# سنسور نوری دو طرفه

در سنسورهای نوری دو طرفه یا به اصطلاح Through-beam sensors، بخش فرستنده و گیرنده از یکدیگر مجزا هستند.

فرستنده پرتو نوری را ارسال کرده و قسمت گیرنده پرتو نور را دریافت می کند.

اگر جسمی بین فرستنده و گیرنده قرار بگیرد، پرتو نور قطع شده و گیرنده سیگنالی را ارسال می کند.

ویژگی ها:

• توانایی تشخیص در فواصل زیاد و حافظه بالا (مثلا مدل E3Z-T82 شرکت امرن، توانایی تشخیص تا فاصله 30m را دارد).
• تشخیص موقعیت دقیق اشیا
• قابل اعتماد بودن و خطای بسیار ناچیز (تشخیص تمامی اشیا 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 سیم کشی طولانی تر)
• هزینه بیشتر

کاربردها

1. گیت های ورودی: معمولاً در گیت های ورودی شیشه های خاکستری یا بی رنگ وجود دارد.
   برای تشخیص عبور افراد در این شیشه ها بایستی از سنسورهای با قدرت تشخیص بالا استفاده کرد.
2. محیط های سخت: جاهایی که به سنسورهای با حافظه بالا و ذخیره سازی قوی نیاز است مانند کارواش ها و محیط های آلوده.
3. اتوماسیون کارخانه ها: به خصوص مواقعی که جاگذاری دقیق اشیا نیاز است.

2-7# سنسور نوری آینه ای

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

فیلتر قطبی (عملکرد MSR)

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

در انیمیشن زیر مشاهده می کنیم که چگونه یک سنسور نوری آینه ای بدون بهره مندی از فیلتر قطبی، در تشخیص یک جسم براق (که بازتاب دهنده نور است و مانند آینه عمل می کند) دچار اشتباه شده و
عبور این جسم را تشخیص نمی دهد.

برای جلوگیری از این اشتباه از یک روش جالب استفاده می کنیم.

پرتوهای نوری که از فرستنده ارسال می شود در واقع موج های نوری هستند و
قابلیت خاصی که موج های نور دارند این است که می توانیم به آن ها در آن زاویه ای که مطلوبمان است، جهت داده و زاویه تابش آن ها را تغییر دهیم.

به تصویر زیر دقت کنید:

در نتیجه از یک فیلتر برای تنظیم زاویه پرتوی نور در فرستنده و از یک فیلتر با زاویه شیفت یافته به اندازه ۹۰ درجه در گیرنده استفاده می کنیم.

دلیل استفاده از منشور

منشور به نحوی عمل کرده که پرتو نور دریافتی را به اندازه 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، زاویه پرتو نور را تغییر نمی دهد،
در نتیجه گیرنده تشخیص می دهد که این نور مربوط به منشور نبوده و اعلام sense کردن می کند.

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

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

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

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

سنسور تک لنز

اما استفاده از دو لنز یک عیب دارد و آن هم مواقعی است که فاصله سنسور با بازتاب دهنده 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 در مواردی بحرانی می شود که مثلا از سوخت های بازتاب دهنده و شفاف استفاده می کنیم و
فاصله سنسور با بازتاب دهنده نبایستی زیاد باشد.

فاصله سنسور و بازتاب دهنده بایستی حداقل 150 میلی متر باشد.

برای برطرف کردن این مشکل و استفاده از سنسور در مواقعی که فاصله بین سنسور و منشور بایستی کمتر از این مقدار باشد، مدل های منحصر به فردی از سنسورها وجود دارند.

در این مدل ها گیرنده و فرستنده دارای یک لنز مشترک بوده که یک آینه نیمه شفاف درون سنسور جای داده شده است.

در این حالت فاصله بین سنسور و بازتاب دهنده می تواند کمتر از صفر نیز باشد.

سنسورهای با این مدل لنز را co-axial sensor می ‎نامند. برای تشخیص بطری های شیشه ای شفاف، این مدل سنسورها بسیار کاربرد دارند.

کاربردها

سنسورهای نوری آینه ای، پرکاربردترین سنسورهای نوری ای هستند که در اتوماسیون کارخانه استفاده می شوند.

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 می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• نوار نقاله ها
• اتوماسیون کارخانجات
• تشخیص بطری های خالی و شفاف
• گیت ها و درهای ورودی (در ساختمان سازی ها)

3-7# سنسور نوری یک طرفه

سنسورهای نوری یک طرفه، پرتوی نور را از فرستنده ارسال می کنند.

اجسامی که از جلوی سنسور عبور کرده، پرتو نور به آن ها می خورد و
قسمتی از نور به گیرنده سنسور بازتابانده می شود تا عبور اجسام شتخیص داده شود.

مزایا

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

معایب

• برد کم (توانایی تشخیص برای مسافت های کم، مثلا در مدل E3Z-D نهایتاً 1 متر)
• خطا در تشخیص رنگ های 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 حس کردن سنسور را مشاهده می کنیم.
  از سه جسم با سطح جانبی سفید، مشکی و فولاد ضد زنگ استفاده شده است.

• دقت و اطمینان کمتر نسبت به سنسورهای دوطرفه و آینه ای
• عدم امکان استفاده در شرایط حضور سطح براق و روشن در پشت جسم موردنظر برای شمارش

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

کاربردها

از این سنسورها معمولا مواقعی استفاده می شود که
نصب انعکاس دهنده دشوار است یا مواقعی که به دقت زیادی برای تشخیص نیاز نداریم. (سرعت کم تغییرات و تشخیص نسبتا اسان اشیا)

از جمله کاربردهای این سنسورها می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• اتوماسیون صنعتی در زمینه 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 می کنیم.

8# پرکاربردترین سنسورهای نوری شرکت امرن

شرکت امرن یکی از معروف ترین شرکت های تولیدکننده سنسورهای نوری می باشد.

این شرکت، مدل های مختلف و متنوعی از این سنسورها را برای هرکاربردی که تصور کنید، ارائه می دهد.

در این بخش به بررسی خانواده های اصلی سنسورهای نوری پرداخته که بالغ بر 90% از نیازهایمان را برطرف می کنند.

• خانواده E3Z (پرکاربردترین سنسورهای نوری استاندارد برای مصارف مختلف)
• خانواده E3F2 (سنسورهای نوری استاندارد در گروه M18)
• خانواده E3T (سنسورهای نوری مینیاتوری برای فضاهای کوچک)
• خانواده های E3JK و E3JM (سنسورهای نوری ساخته شده با منبع تغذیه و رله) (نه ترانزیستوری)
• خانواده E3X (سنسورهای فیبر نوری برای تشخیص اشیا بسیار کوچک و با بردهای بسیار بالا)