سنسورها قطعات پایه ای در صنعت های مختلف هستند، یکی از مهمترین آنها سنسور نوری است که در صنایع مختلف کاربرد دارد.
با یک نگاه 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.
بخش اول: ساختار سنسور 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 بخش ابتدا به سراغ ساختار سنسورهای نوری و مزیت‌ها و معایب آنها می‌رویم. سپس نگاهی گذرا به طراحی ساختار درونی این سنسورها می‌اندازیم.
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 هستند.
شرایط کاری سنسور نوری
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 Background-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.
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 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
- 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. - محیط‌های سخت، جاهایی که به سنسورهای با حافظه بالا و ذخیره‌سازی قوی نیاز است مانند کارواش‌ها و محیط‌های آلوده.
- در اتوماسیون کارخانه‌ها، به خصوص مواقعی که جاگذاری دقیق اشیاء نیاز است.
2.3 سنسور 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) .
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.
دلیل استفاده از منشور
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.
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 در مواردی بحرانی می‌شود که مثلا از سوخت‌های بازتاب‌دهنده و شفاف استفاده می‌کنیم و فاصله سنسور با بازتاب‌دهنده نبایستی زیاد باشد.
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)
2.4 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.
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)
