Telco fotoelektron érzékelő: működés, felépítés és ipari alkalmazások

A Telco fotoelektron érzékelői olyan optikai érzékelőrendszerek, amelyek fény segítségével tárgyak jelenlétét, helyzetét, mozgását vagy megszakítását érzékelik. A rendszerek széles körben használhatók érzékelési, pozicionálási, mérési, számlálási, válogatási és ellenőrzési feladatokra.

A legegyszerűbb átmenő fénysugaras kivitelben egy adó és egy vevő egymással szemben helyezkedik el. Az adó infravörös fénysugarat küld a vevő felé, és amikor egy tárgy megszakítja a fénynyalábot, a kimenet aktiválódik.

A Telco rendszerek fő előnye a megbízható érzékelés, a nagy tartalék erősítés, a szennyezett környezetben való alkalmazhatóság, valamint a vízzel, rázkódással és külső fényhatásokkal szembeni ellenállás.

Az optoelektronikai érzékelés alapelve

A fotoelektronikus érzékelő fényforrásból, optikai rendszerből, fotodetektorból és elektronikus jelfeldolgozó egységből áll. A fényforrás kibocsátja a méréshez használt sugárzást, az optika a megfelelő irányba továbbítja, a vevő pedig érzékeli a beérkező fényt.

Ha a tárgy megszakítja vagy visszaveri a fényt, a vevőben megváltozik a fotoáram. Az elektronika ezt a változást értelmezi, majd kapcsolási jelet továbbít a vezérlőrendszer felé.

A fotoelektronikus érzékelők működésének alapja a fény és az anyag kölcsönhatása. A foton energiája elektronokat szabadíthat fel vagy töltéshordozók számának megváltozását idézheti elő a detektor anyagában.

Az átmenő fénysugaras érzékelő működése

Az átmenő fénysugaras érzékelő külön adóból és külön vevőből épül fel, amelyek egymással szemben helyezkednek el. Az adó folyamatos vagy modulált infravörös fénysugarat küld a vevőre.

Amikor egy tárgy belép a két egység közötti fényútba, a vevőre érkező sugárzás csökken vagy teljesen megszűnik. Az elektronika ezt a változást kapcsolási eseményként érzékeli.

Az ilyen elrendezés különösen megbízható, mivel az érzékeléshez nem szükséges, hogy a tárgy meghatározott fényvisszaverő tulajdonságokkal rendelkezzen. A tárgy jelenléte elsősorban a fénynyaláb megszakításán alapul.

A transmitter/receiver photoelectric sensor is a very reliable way of detecting and the high excess gain of our sensors are suited for extremely polluted environments.

Az átmenő fénysugaras érzékelők hatótávolsága elérheti a 70 métert. A nagy hatótávolság és a nagy tartalék erősítés lehetővé teszi a használatot olyan környezetben is, ahol por, szennyeződés, olajköd vagy egyéb optikai zavaró tényező van jelen.

A fényforrás és a vevő szerepe

Az adó feladata a megfelelő hullámhosszú és intenzitású fény kibocsátása. Ipari fotoelektronikus érzékelőkben gyakran infravörös fényforrást alkalmaznak, mivel ez a hullámhossztartomány kevésbé zavarja az emberi látás, és megfelelő optikai teljesítményt biztosít.

A vevő fotodetektora a beérkező fényt elektromos jellé alakítja. A jel nagysága a beeső fény intenzitásával, a detektor érzékenységével és a rendszer optikai veszteségeivel függ össze.

A bemeneti ablakok alapanyagának áteresztőképessége befolyásolja a működési tartományt. Ezért az érzékelő burkolatának, ablakának és optikai elemeinek anyagát a kívánt hullámhossz-tartományhoz kell megválasztani.

Fotoelektron-sokszorozó mint fénydetektor

A fotoelektron-sokszorozó egy olyan elektroncső, melyben a bemenetre érkező fény a katódból egy fotoelektront vált ki. A dinódák közötti feszültség az elektronokat gyorsítja, így azok dinódákba történő becsapódáskor további elektronokat gerjesztenek.

Detektált foton esetén a sokszorozás hatására egy áramtüske jelenik meg az eszköz kimenetén. A sokszorozási folyamat miatt egyetlen foton érzékelése is jelentős elektromos impulzust eredményezhet.

• nagy erősítés, akár x108
• alacsony zaj (hűtés esetén)
• alacsony válaszidő

A fotoelektron-sokszorozó fotokatódjának geometriája két fő típusba sorolható:

• transzmisszós fotokatód
• reflexiós fotokatód

A fotoelektron-sokszorozó használatának egyik nehézsége, hogy magas üzemi feszültség szükséges. A termikus emisszió sötétzajt és mérési hibát okozhat, ezért különösen fontos a katód anyagának kiválasztása.

Fotodióda, lavinafotodióda és CCD

A fotoelektronikus érzékelőkben többféle fénydetektor használható. A fotodióda a fényt közvetlenül elektromos árammá alakítja, a lavinafotodióda belső erősítést biztosít, a CCD pedig a fény térbeli eloszlásának rögzítésére alkalmas.

A lavinafotodióda működése során a fény által létrehozott töltéshordozók nagy elektromos térben további töltéshordozókat keltenek. Ez belső erősítést eredményez, ami gyenge fényjelek detektálásakor lehet előnyös.

A XX. század első felében fejlesztették ki a csillagászati fotográfiát, a távcsövekkel fényképeket készítettek. A fotoemulziót nagy üveglemezekre vitték fel.

Az 1950-es években már fotoelektron-sokszorozó csöveket használtak, és létrehozták a nemzetközi színszűrő-rendszereket. 1990 körül új detektor vette át a fő szerepet, a CCD (Charge Coupled Device: töltéscsatolt eszköz).

Ez egy integrált áramkör (chip), melynek elemei, pixelei félvezető anyagból állnak, és a beeső fény intenzitásával arányos elektromos töltés halmozódik fel bennük. Ezt egy elektronika kiolvassa, és máris kész a digitális kép.

A fényképezőgépek és a videokamerák is ilyen érzékelőt tartalmaznak. A CCD képelemei (pixelei) félvezető anyagú, kicsiny cellák, melyekben a beérkező fény intenzitásával arányos elektromos töltés halmozódik fel.

A különféle fényérzékelők összehasonlítása során fontos jellemző a kvantumhatásfok: a beérkező fotonok hány százalékát mutatja ki a detektor.

A CCD működésének sajátosságai

A CCD-ben a fény hatására töltés halmozódik fel az egyes pixelekben. A töltés mennyisége arányos a pixelre jutó fény intenzitásával és a megvilágítás időtartamával.

Az elektromos töltések léptetése a CCD kamerában, a pixeleknél lévő feszültség megfelelő kapcsolgatásával történik. Felvétel, majd a töltések léptetésével letöltés a kiolvasó sorba a CCD kamerában.

A CCD előnye, hogy egyetlen érzékelőfelületen sok képpont információját képes összegyűjteni. Ez eltér az ipari pontérzékelőktől, amelyek általában egyetlen optikai út megszakítását vagy egy meghatározott tárgy jelenlétét figyelik.

A Telco fotoelektronikus érzékelők fontos tulajdonságai

A Telco érzékelőrendszerei a nagy igénybevételű alkalmazásokhoz készülnek. A rendszerek sokoldalúsága és nagy teljesítménye különféle ipari érzékelési feladatok megoldását teszi lehetővé.

• egyszerű telepítés
• fényzavarokkal szembeni immunitás
• nagy behatolási teljesítmény
• vízállóság
• ütés- és rezgésállóság

Az egyszerű telepítés csökkenti a beállítási időt és megkönnyíti az érzékelők beillesztését a meglévő gépészeti vagy automatizálási rendszerbe.

A külső fényekkel szembeni immunitás fontos olyan környezetben, ahol napfény, erős mesterséges megvilágítás vagy más optikai berendezések fénye érheti az érzékelőt.

A nagy behatolási teljesítmény azt jelenti, hogy a rendszer megfelelő érzékelési tartalékkal rendelkezik a fényút részleges gyengülése vagy szennyeződése esetén is.

A vízállóság, valamint az ütésekkel és rezgésekkel szembeni ellenállás különösen fontos gyártósorokon, gépipari berendezésekben és olyan környezetben, ahol rendszeres mechanikai igénybevétel fordul elő.

Érzékelési módok és optikai kialakítások

A fotoelektronikus érzékelők feladata lehet a fénysugár megszakításának érzékelése, a tárgyról visszavert fény vizsgálata vagy egy fényvisszaverő elemről visszaérkező jel kiértékelése.

A különböző optikai kialakítások között megtalálható a pontszerű és a vonalszerű lézernyaláb, a pont- vagy diffúz lézernyaláb, valamint a háttér-elnyomással működő érzékelés.

• Spot and line laser beam
• Spot or diffuse laser beam
• kis látható fénypont
• nagy pontosságú keskeny nyalábú LED
• pontos háttérelnyomás robusztus tokozásban
• 0,1 mm-es minimális pontátmérő
• változtatható pontméret
• retro-reflektív és diffúziós modellek

A keskeny fénynyaláb lehetővé teszi kis tárgyak, keskeny rések vagy pontosan meghatározott pozíciók érzékelését. A változtatható pontméret különböző tárgyméretekhez és érzékelési távolságokhoz igazítható.

A háttérelnyomás célja, hogy az érzékelő a tárgyat akkor is felismerje, ha mögötte változó vagy fényvisszaverő háttér található. Ez a kialakítás különösen hasznos pozicionálási és jelenlétérzékelési feladatoknál.

Átlátszó tárgyak és PET-palackok érzékelése

Az átlátszó tárgyak érzékelése nehezebb, mert a fény jelentős része áthaladhat rajtuk, miközben csak kis mértékben változtatják meg a vevőre jutó fényintenzitást.

Az ipari érzékelőrendszerek között találhatók kifejezetten PET-palackok és átlátszó tárgyak érzékelésére kialakított megoldások. Az ilyen érzékelők optimalizált érzékelést biztosítanak átlátszó anyagokhoz.

• PET palackok és átlátszó tárgyak érzékelésére
• érzékelő szabványos PET palackokhoz
• nagy teljesítmény minden átlátszó tárgynál
• Smart Teach funkció
• keskeny rés észlelése

Az átlátszó tárgyak érzékelésénél a fényforrás hullámhossza, a tárgy alakja, a felület görbülete, a háttér és az érzékelési távolság egyaránt befolyásolja a jelet.

Építési formák és mechanikai kivitelek

A fotoelektronikus érzékelők különböző méretű és formájú házakban készülhetnek. A kialakítás kiválasztását a rendelkezésre álló szerelési hely, a csatlakozás módja, a környezeti terhelés és a szükséges optikai tengely iránya határozza meg.

• 3,5 mm-es, lapos kivitel
• oldalra néző tokozás
• egyenes és radiális típusok teljes termékskálája
• M8 vagy M12-es méretű fém ház
• M5 méretű adó-vevős, axiális és radiális kivitel
• M6 méretű tárgyreflexiós kivitel
• műanyag tokozás
• 1 vagy 2 optikai tengely
• ultra-small size

A rozsdamentes acélház olyan alkalmazásoknál előnyös, ahol a nedvesség, a tisztítószerek vagy a mechanikai igénybevétel jelentős. Egyes kivitelek ECOLAB tanúsítvánnyal és rozsdamentes acélházzal rendelkeznek.

A különleges kialakítású robusztus érzékelők ellenállnak a forgácsolásnál használatos olajnak. Az olajállóság megakadályozza, hogy az érzékelő háza vagy optikai felülete gyorsan károsodjon ipari környezetben.

Villamos csatlakozás és kimeneti jelek

Az érzékelők csatlakozása történhet rögzített kábellel vagy dugaszolható csatlakozóval. Az ipari kivitelek között megtalálhatók M8-as és M12-es csatlakozású változatok.

A kimeneti kialakítás lehet NPN vagy PNP, a kapcsolási logika pedig NO vagy NC. A megfelelő változatot az automatizálási vezérlő bemenetéhez és a kívánt alapállapothoz kell illeszteni.

• NPN-NO kimenet
• PNP-NC kimenet
• 3-pines M8-csatlakozó
• 4-pines M12-csatlakozó
• 5 m-es rögzített kábel
• 10 m-es rögzített kábel
• 15 cm-es csatlakozóvezeték

Az egyen- és váltófeszültségű táplálás, a relékimenet és az időzítő olyan kivitelekben jelenhet meg, amelyek többféle vezérlési környezethez igazíthatók.

Az IO-Link kommunikáció lehetőséget ad az érzékelő és a vezérlőrendszer közötti digitális kommunikációra. Ez megkönnyíti a paraméterezést, az állapotfelügyeletet és a diagnosztikai információk továbbítását.

Telco vevőegységek jellemző kivitelei

A Telco fotoelektronikus vevőegységei többféle házméretben és csatlakozási formában készülnek. A különböző kivitelek között M12-es, Ø10-es, Ø12,7-es és miniatűr házas változatok találhatók.

A miniatűr házas kivitelek olyan helyeken alkalmazhatók, ahol kevés szerelési hely áll rendelkezésre. A fémházas, bronz- vagy rozsdamentes acélkivitelek nagyobb mechanikai és környezeti igénybevételhez igazíthatók.

Ipari alkalmazási területek

A Telco érzékelőrendszerei széles körben használhatók érzékelési, pozicionálási, mérési, számlálási, válogatási és ellenőrzési alkalmazásokban.

• tárgyak jelenlétének érzékelése
• pozicionálás
• méret- és távolságellenőrzés
• darabszámlálás
• válogatás
• gyártási folyamatok ellenőrzése
• palackok és átlátszó tárgyak érzékelése
• folyadékszint érzékelése
• NYÁK-érzékelés

A folyamatvezérlésben az érzékelő kimenete egy gép vagy vezérlőegység indítását, leállítását, irányváltását vagy hibajelzését válthatja ki.

A számlálási feladatoknál minden megszakított vagy visszavert fényjel egy külön eseményt képviselhet. A megfelelő kapcsolási sebesség és a rövid válaszidő lehetővé teszi gyorsan mozgó tárgyak felismerését.

A válogatási és ellenőrzési rendszerekben az érzékelő a tárgy jelenléte, helyzete, átlátszósága vagy felületi tulajdonságai alapján szolgáltat jelet.

Speciális ipari tulajdonságok

Az érzékelők egy része kifejezetten élelmiszeripari, csomagolástechnikai vagy mosással érintett környezethez készül. Az ECOLAB tanúsítvány és a rozsdamentes acélház olyan alkalmazási környezetekben lehet fontos, ahol gyakori a tisztítás és a nedvességterhelés.

A forgácsolásnál alkalmazott olajokkal szembeni ellenállás gépipari környezetben növeli az érzékelő élettartamát. A robusztus kivitel továbbá csökkenti a rázkódásból és ütésekből származó meghibásodások kockázatát.

A fényzavarokkal szembeni immunitás, a nagy behatolási teljesítmény és a vízállóság együtt olyan érzékelőrendszert eredményez, amely nehéz ipari körülmények között is stabil kapcsolási jelet képes biztosítani.

Az érzékelő kiválasztásának szempontjai

Az érzékelő kiválasztásakor először az érzékelési feladatot kell meghatározni. Más kialakítás szükséges átmenő fénysugaras tárgyérzékeléshez, tárgyreflexiós érzékeléshez, átlátszó tárgyak felismeréséhez vagy folyadékszint méréséhez.

Fontos szempont a szükséges hatótávolság. A 6 méteres, 10 méteres és akár 70 méteres érzékelési távolság eltérő optikai és mechanikai kialakítást igényel.

A ház anyagát és formáját a környezeti feltételekhez kell igazítani. Műanyag ház használható kevésbé agresszív környezetben, míg a fém-, bronz- vagy rozsdamentes acélház nagyobb mechanikai és kémiai terhelés esetén lehet megfelelő.

A csatlakozó kiválasztásánál figyelembe kell venni a kábelhosszt, a rendelkezésre álló helyet, a karbantartási igényt és a vezérlőrendszer csatlakozási szabványát.

Az NPN- vagy PNP-kimenet, valamint az NO- vagy NC-kapcsolási logika meghatározza, hogy az érzékelő miként illeszkedik az automatizálási rendszer bemeneti áramköréhez.

A látható fénypont, a keskeny nyaláb, a vonallézer, a háttérelnyomás és az IO-Link kommunikáció olyan többletfunkciók, amelyek a pontosabb beállítást és a megbízhatóbb üzemeltetést segíthetik.

Az optikai jel értelmezése és a mérési zaj

A detektor kimeneti jele nemcsak a hasznos fényből, hanem különböző zajkomponensekből is állhat. A termikus emisszió például sötétzajt hozhat létre, míg a környezeti fény és az optikai szennyeződés a hasznos jelhez adódó zavaró jelet eredményezhet.

A mérési rendszer érzékenységét a detektor kvantumhatásfoka, a fényforrás teljesítménye, az optikai veszteség, a vevő erősítése és a jelfeldolgozás módja határozza meg.

A nagy tartalék erősítés növeli annak valószínűségét, hogy a rendszer a csökkent fényintenzitás ellenére is megbízhatóan érzékeli a tárgyat. Erősen szennyezett környezetben azonban az optikai felületek tisztasága és a mechanikai beállítás továbbra is meghatározó.

Az optoelektronikus érzékelők és a digitális detektorok kapcsolata

A fotoelektronikus ipari érzékelők, a fotoelektron-sokszorozók, a fotodiódák és a CCD-k eltérő célokra készülnek, de közös alapelvük, hogy a fényből elektromos jelet állítanak elő.

A fotoelektron-sokszorozó különösen nagy erősítést biztosít, a fotodióda gyors és egyszerű fényérzékelést tesz lehetővé, a lavinafotodióda belső erősítéssel működik, a CCD pedig sok pixelen keresztül képes a fény térbeli eloszlását rögzíteni.

A Telco ipari fotoelektronikus érzékelői elsősorban gyors kapcsolási és tárgyérzékelési feladatokra szolgálnak. A megfelelő optikai konfiguráció, a robusztus mechanikai kialakítás és a vezérlőrendszerhez illeszkedő kimenet együtt határozza meg az alkalmazás eredményességét.

tags: #telco #fotoelektron #erzekelo