Keuzes voor benaderings- en afstandssensortechnologie sorteren

Het gebruik van nabijheids- en afstandssensors om de aanwezigheid en locatie van voorwerpen te detecteren zonder fysiek contact kan een belangrijk aspect zijn bij het besturen van industriële processen zoals materiaalverwerking, landbouwmachines, fabricage- en assemblagewerkzaamheden en verpakking van voedingsmiddelen, dranken en farmaceutica.

Deze sensors zijn verkrijgbaar met verschillende technologieën zoals foto-elektrisch, laser, inductief, capacitief, magnetisch en ultrasoon. Bij het bepalen van de beste keuze voor een bepaalde toepassing moet rekening worden gehouden met factoren als bereik, grootte, nauwkeurigheid, gevoeligheid, resolutie en kosten.

Een belangrijke factor in veel toepassingen is het materiaal van het te detecteren object. Sommige sensors gedragen zich anders bij harde versus vezelige oppervlakken en andere sensoren kunnen beïnvloed worden door de kleur of reflectiviteit van het object.

Dit artikel geeft een overzicht van algemeen beschikbare contactloze benaderingssensortechnologieën, waarbij gekeken wordt naar hoe ze werken, hun basisprestatiekenmerken en voorbeeldsensors van SICK, samen met enkele beoogde toepassingen.

Foto-elektrische sensors

Foto-elektrische sensors, zoals de W10 foto-elektrische naderingssensors van SICK, zijn eenvoudig te gebruiken en te installeren en zijn verkrijgbaar met een reeks functies die geschikt zijn voor tal van toepassingen. Het robuuste ontwerp van de W10-sensors maakt ze geschikt voor nauwkeurige objectdetectie in veeleisende omgevingen. Het geïntegreerde touchscreen versnelt het instellen van parameters en het inzetten van sensors (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Het aanraakscherm op deze fotocellen kan de ingebruikname en ingebruikname versnellen. (Bron afbeelding: SICK)

Met de beschikbare teach-ins kunnen ontwerpers deze sensors aanpassen aan specifieke toepassingsvereisten. Daarnaast zorgen geïntegreerde functies zoals snelheidsinstellingen, standaard- en precisiemodi voor metingen en voorgrond- en achtergrondonderdrukking ervoor dat een enkele sensor kan worden gebruikt in een groot aantal toepassingen. De sensorserie omvat vier varianten, die verschillen in hun werkafstanden en montagemogelijkheden.

Achtergrondonderdrukking

Foto-elektrische naderingssensors met achtergrondonderdrukking (BGS) maken gebruik van driehoeksmeting tussen de zendende en ontvangende elementen. Signalen van objecten achter het ingestelde detectiebereik worden onderdrukt. Bovendien negeert de BGS-technologie van SICK sterk reflecterende objecten op de achtergrond en kan het omgaan met moeilijke omgevingslichtomstandigheden.

Achtergrondonderdrukking is vooral nuttig als het doelobject en de achtergrond (zoals een transportband) een vergelijkbare reflectiviteit hebben of als de reflectiviteit van de achtergrond variabel is en interferentie met detectie kan veroorzaken.

Voorgrondonderdrukking

Foto-elektrische naderingssensors met voorgrondonderdrukking (FGS) kunnen objecten op een bepaalde afstand detecteren. Alle objecten tussen de sensor en de detectieafstand (ingesteld op de achtergrond) worden gedetecteerd. Voor een betrouwbare detectie moet de achtergrond relatief helder zijn en mag deze niet in hoogte variëren.

Wanneer objecten zich op een reflecterend oppervlak bevinden, zoals een witte of lichtgekleurde transportband, kan voorgrondonderdrukking de detectie verbeteren. In plaats van licht te detecteren dat door het object wordt gereflecteerd, detecteert de sensor het object door de afwezigheid van licht dat door de transportband wordt gereflecteerd.

Retro-reflecterend

In een retro-reflectiesensor valt het uitgezonden licht op een reflector en wordt het gereflecteerde licht geëvalueerd door de sensor. Fouten kunnen worden geminimaliseerd door polarisatiefilters te gebruiken. Stretchfolies en plastic wikkels die transparant zijn, kunnen deze sensoren storen. Het verminderen van de sensorgevoeligheid kan helpen om deze uitdagingen te overwinnen. Bovendien kan de vervanging van standaard IR-lichtemitters door lasers een groter detectiebereik en een hogere resolutie mogelijk maken.

De prestaties van de retroreflectiesensor kunnen worden verbeterd met een lager dan normale schakelhysterese. In deze ontwerpen kan zelfs minimale lichtverzwakking tussen de sensor en de reflector, bijvoorbeeld veroorzaakt door glazen flessen, betrouwbaar worden gedetecteerd. SICK biedt ook een bewakingssysteem genaamd AutoAdapt dat de schakeldrempel continu regelt en aanpast als reactie op de geleidelijke opbouw van vervuiling die zou kunnen leiden tot een storing in het detectiesysteem.

Doorstraal

In tegenstelling tot retro-reflectieve sensoren gebruiken zender-ontvangers twee actieve apparaten. Through-beam-detectie maakt langere detectiebereiken mogelijk. De vervanging van IR-emitters door laserdiodes kan de detectieafstand verder vergroten met behoud van een hoge resolutie en nauwkeurige detectie.

Vezeloptisch

Vezeloptische sensoren zijn een variatie op zender-ontwerpen. In een glasvezelfotocel zijn de zender en ontvanger samen in één behuizing ondergebracht. Afzonderlijke glasvezelkabels worden gebruikt door de zender en de ontvanger. Deze sensors zijn vooral geschikt voor gebruik in toepassingen met hoge temperaturen en in gevaarlijke en ruwe omgevingen.

Foto-elektrische sensorarrays

De RAY26 Reflex Array-fotocellen, zoals model 1221950, maken een betrouwbare detectie van vlakke voorwerpen en een snelle inbedrijfstelling mogelijk. In combinatie met een reflector detecteren de foto-elektrische sensors ook kleine, vlakke, transparante of ongelijkmatige objecten tot 3 mm. Binnen een 55 mm hoge uniforme lichtreeks detecteren de sensors de voorste rand van het object. Dit betekent dat zelfs geperforeerde objecten betrouwbaar kunnen worden gedetecteerd zonder complexe schakelingen (Afbeelding 4).

Afbeelding 2: Foto-elektrische sensorarrays kunnen objecten tot 3 mm in een 55 mm hoog veld detecteren. (Bron afbeelding: SICK)

Laserafstandssensors

Ontwerpers van toepassingen zoals niveaumeting in opslagcontainers, positiedetectie van objecten op transportbanden, XY-positie van de as in geautomatiseerde vorkheftrucksystemen, verticale positionering van kranen in magazijnen en hangbanen en diameterbewaking tijdens het wikkelen van spoelen kunnen zich wenden tot de DT50-laserafstandssensors. Deze sensors ondersteunen time-of-flight (ToF) afstandsmetingen tot enkele meters met behulp van gereflecteerd laserlicht om ongevoeligheid voor omgevingslicht en een nauwkeurige en betrouwbare werking te bieden.

De DT50-2B215252 heeft bijvoorbeeld een bereik van 200 tot 30.000 mm en verschillende speciale functies, waaronder

• Robuuste behuizing met beschermingsgraad IP65 en IP67
• Kan tot 3.000 afstandsmetingen per seconde leveren
• Minimale responstijd van 0,83 ms
• Compacte behuizing ondersteunt een reeks toepassingen, van industriële robots tot het meten van vulhoogtes van opslagcontainers

High-res metingen met behulp van statistieken

High-definition distance measurement plus (HDDM+) is een ToF-meettechnologie met hoge resolutie die kan worden gebruikt in laserafstands- en lichtdetectie- en afstandssensoren (LiDAR). In tegenstelling tot detectietechnologieën met een enkele puls of fasecorrelatie is HDDM+ een statistisch meetproces.

De sensorsoftware evalueert statistisch de echo's van meerdere laserpulsen om interferentie van bronnen zoals glas, mist, regen, stof, sneeuw, bladeren, hekken en andere objecten uit te filteren om de afstand tot het beoogde doel te berekenen. De resulterende afstandsmeting kan een hoge mate van zekerheid bieden, zelfs onder moeilijke omgevingsomstandigheden (Afbeelding 5).

Afbeelding 3: De HDDM+ software van SICK maakt gebruik van een statistisch evaluatieproces om "ruis" te elimineren, zoals glas, mist, regen, stof, sneeuw, bladeren en hekken. (Bron afbeelding: SICK)

Typische toepassingen voor HDDM+ technologie zijn afstandsmeting voor kwaliteitscontrole in de elektronicaproductie, multidimensionale LiDAR-objectdetectie en positiebepaling in de machine- en installatiebouw, en positiebepaling van industriële kranen of voertuigen.

Het detectiebereik van HDDM+ sensors is tot 1,5 km op retro-reflecterende tape. Het model DT1000-S11101 heeft bijvoorbeeld een bereik tot 460 m met een nominale meetnauwkeurigheid van ±15 mm voor natuurlijke objecten en een instelbare resolutie van 0,001 tot 100 mm.

Inductief

Inductieve naderingssensors zoals de IME-serie van SICK kunnen ferro- en non-ferrometalen voorwerpen detecteren. Deze sensors bestaan uit een inductor-condensator (LC) resonantiecircuit dat een hoogfrequent wisselend elektromagnetisch veld genereert. Het veld wordt gedempt wanneer een metalen voorwerp het detectiebereik binnenkomt. De demping wordt gedetecteerd door het signaalevaluatiecircuit en een versterker die het uitgangssignaal produceert (Afbeelding 4).

Figuur 4: Een basis inductieve naderingssensor bestaat uit een LC-schakeling die een wisselveld produceert, een signaalevaluator en een versterker. (Bron afbeelding: SICK)

Twee belangrijke specificaties voor de detectieafstand van verschillende benaderingssensortechnologieën zijn de nominale detectieafstand (Sn) en de beveiligde detectieafstand (Sa). Sn houdt geen rekening met fabricagetoleranties of externe invloeden zoals de bedrijfstemperatuur. Sa houdt rekening met zowel fabricagetoleranties als variaties in bedrijfsomstandigheden. Sa is meestal ongeveer 81% van de waarde van Sn. Voor de inductieve sensor model IME08-02BPSZT0S is Sn bijvoorbeeld 2 mm en Sa 1,62 mm.

Capacitieve detectie

Net als inductieve sensors gebruiken capacitieve naderingssensoren een oscillator. In dit geval wordt een open condensator gebruikt waarbij de actieve elektrode in de sensor een elektrostatisch veld produceert ten opzichte van aarde. Deze sensors kunnen de aanwezigheid van een groot aantal materialen detecteren, waaronder metalen en niet-metalen voorwerpen.

Wanneer een voorwerp het elektrostatische veld binnengaat, verandert de amplitude van de oscillaties in het resonantiecircuit op basis van de diëlektrische eigenschappen van het materiaal. De signaalevaluator detecteert de verandering en een versterker produceert het uitgangssignaal (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: In een capacitieve naderingssensor produceert een oscillerend circuit een elektrostatisch veld dat van karakter verandert wanneer het te detecteren doel het veld binnengaat. (Bron afbeelding: SICK)

Net als inductieve naderingssensors zijn er verschillende specificaties voor de detectieafstand van capacitieve naderingssensors, waaronder Sn, Sa en een reductiefactor. Het model CM12-08EBP-KC1 heeft bijvoorbeeld een Sn van 8 mm en een nominale Sa van 5,76 mm.

Het object dat moet worden gedetecteerd moet minstens zo groot zijn als het sensorvlak en de detectieafstand varieert met de reductiefactor van het materiaal. Reductiefactors zijn gerelateerd aan de diëlektrische constante van het materiaal en kunnen variëren van 1 voor metalen en water tot 0,4 voor polyvinylchloride (PVC), 0,6 voor glas en 0,5 voor keramiek.

Magnetisch

Magnetische naderingssensors reageren op de aanwezigheid van een magneet. Magnetische naderingssensors van SICK maken gebruik van twee detectietechnologieën:

• Reuze magnetoweerstandssensors (GMR) zijn gebaseerd op weerstanden die hun waarde veranderen in aanwezigheid van een magnetisch veld. Een brug van Wheatstone wordt gebruikt om de verandering in weerstand te detecteren en een uitgangssignaal te produceren. De MZT7-cilindersensors, zoals de MZT7-03VPS-KP0 ontworpen voor gebruik met cilinders met T-groef, maken gebruik van GMR-technologie om de positionering van de zuiger te detecteren in pneumatische aandrijvingen en in vergelijkbare toepassingen.
• LC-technologie maakt gebruik van een resonantiekring die resoneert met een kleine amplitude. Als een extern magnetisch veld nadert, neemt de resonantieamplitude toe. De toename wordt gedetecteerd door een signaalevaluator en een versterker produceert het uitgangssignaal (Afbeelding 6). De MM08-60APO-ZUA heeft een sn van 60 mm en een Sa van 48,6 mm.

Afbeelding 6: In een magnetische naderingssensor kan de veldsonde gebruikmaken van GMR- of LC-technologie. (Bron afbeelding: SICK)

Ultrasone sensors

Voor objecten tot op een afstand van 8 m kunnen ontwerpers zich wenden tot ultrasone sensors zoals de UM30-serie van SICK. Deze sensors hebben geïntegreerde temperatuurcompensatie om de meetnauwkeurigheid te verbeteren en bieden kleuronafhankelijke objectdetectie, ongevoeligheid voor stof en werking tot 70 °C. Ze meten afstanden op basis van time-of-flight -echnologie waarbij de afstand gelijk is aan de geluidssnelheid vermenigvuldigd met de totale akoestische time-of-flight (t₂) met het totaal gedeeld door 2 (Afbeelding 6).

Afbeelding 7: Ultrasone sensors kunnen de afstand meten op basis van de totale time-of-flight (t₂) van de geluidsgolven. (Bron afbeelding: SICK)

Ultrasone sensors zoals model UM30-212111 zijn geschikt voor toepassingen zoals het bewaken van lege bakken. Een interne temperatuurmonitor produceert een meetnauwkeurigheid van ±1%. Deze kleuronafhankelijke sensoren kunnen moeilijk te onderscheiden objecten detecteren, zelfs in de aanwezigheid van vuil en stof.

Conclusie

Het goede nieuws is dat er een breed scala aan nabijheids- en afstandssensortechnologieën is. Dat betekent dat er een oplossing is voor elke toepassingsvereiste. De uitdaging bestaat uit het sorteren van de vele keuzes en het vinden van de optimale oplossing voor detectie van specifieke materialen onder de werkelijke toepassings- en bedrijfsomstandigheden.