Promieniowanie świetlne jest coraz częściej stosowane w różnego rodzaju automatycznych systemach na potrzeby detekcji obiektów, ich ruchu i położenia. Fakt, że pomiary takie odbywają się bezdotykowo, znacząco zwiększa żywotność maszyn wykorzystujących światło oraz ogranicza nakłady potrzebne na konserwację. Niestety, czasem poprawna instalacja takich czujników fotoelektrycznych jest kłopotliwa. Dlatego tam, gdzie jest to możliwe, warto sięgnąć po sensory szczelinowe.

Czujniki fotoelektryczne szczelinowe to elementy pracujące jak bariery świetlne, ale cechujące się bardzo małą strefą działania. Typowo obszar, w którym są w stanie wykrywać obiekty, ogranicza się maksymalnie do kilku centymetrów. Ten limit zapewnia jednak kilka zalet – sensory szczelinowe są nie tylko małe, ale też bardzo precyzyjne i łatwe w instalacji.

Zasada działania

Czujniki fotoelektryczne działają w bardzo prosty sposób. Składają się z dwóch elementów, które w przypadku modeli szczelinowych są umieszczone w jednej, kompaktowej obudowie. Obudowa ma najczęściej kształt prostopadłościanu z wycięciem, które to wycięcie stanowi szczelinę. Na jednym końcu szczeliny znajduje się nadajnik, a na drugim odbiornik. Nadajnik to dioda LED – zazwyczaj pracująca w podczerwieni, czasem mająca parametry diody laserowej. Odbiornikiem jest na przykład fototranzystor. Zastosowanie podczerwieni sprawia, że czujnik staje się niewrażliwy na zakłócenia spowodowane światłem w zakresie widzialnym.

W momencie, gdy przez szczelinę czujnika przechodzi obiekt, który blokuje przelot wiązki światła, zdarzenie to jest wykrywane na odbiorniku i przekładane na zmianę sygnału elektrycznego na wyjściu sensora.

Zwarta budowa czujników szczelinowych sprawia, że ich montaż nie nastręcza problemów. Nie ma obaw, że ruch obiektów w ich otoczeniu oraz wibracje i inne wstrząsy spowodują wzajemne przesunięcie nadajnika i odbiornika względem siebie, co poskutkowałoby awarią detektora. Wysoka niezawodność układów tego typu oraz bardzo szybka praca pozwalają na stosowanie ich w bardzo wymagających aplikacjach, szczególnie do wykrywania szybko poruszających się, cienkich obiektów.

Czujniki OncQue

Dobrym przykładem czujników fotoelektrycznych szczelinowych są produkty tajwańskiej firmy OncQue, znanej też jako Bravotronics Corporation. Dzięki najwyższej jakości i innowacyjności rozwiązań, wyroby firmy OncQue od lat cieszą się dużym uznaniem wśród klientów, czego dowodem są liczne nagrody branżowe. Wiarygodność firmy potwierdza wdrożenie systemów zapewnienia jakości: ISO9001:2000 – od 2006 r., ISO9001:2008 – od 2009 r., a także ISO14001:2004, OHSAS18001:2007 i IECQ QC080000:2005 – od 2010 r. Obecnie OncQue ma ponad 150 patentów.

OncQue ma już ponad 20 lat doświadczenia i specjalizuje się w różnego rodzaju sensorach. Ma w swojej ofercie bogaty wybór czujników szczelinowych. Są one wykonane w obudowie z wysokiej jakości tworzywa, odpornego na duże naprężenia, dzięki czemu nie ulegają pęknięciom podczas instalacji. Ponadto wyprowadzenia do montażu przewlekanego zwiększają wytrzymałość połączeń. Składają się na nie cztery piny: anoda, katoda oraz kolektor i emiter. Anoda i katoda pozwalają na zasilenie diody LED w nadajniku, a kolektor i emiter umożliwiają odczyt wyników.

Czujniki OncQue zasilane są napięciem 5 V DC i w domyślnej konfiguracji pobierają 10 mA prądu. Aby je podłączyć, należy w obwodzie zasilania wstawić szeregowo rezystor 470 Ω, a w obwodzie wyjściowym rezystor 33 kΩ. Na wejściu nie należy przekraczać prądu 50 mA, a na wyjściu 20 mA. Łączna moc pobierana przez czujnik nie przekracza 175 mW. Dopuszczalne temperatury pracy wynoszą od –25°C do +85°C. Temperatura przechowywania w magazynie musi się natomiast mieścić w zakresie od –40°C do +100°C. Oznacza to, że można swobodnie zaopatrzyć się w zapas tych niedrogich podzespołów na wypadek, gdyby nagle okazały się potrzebne, bez obaw o ich uszkodzenie w trakcie przechowywania. Natomiast w trakcie lutowania temperatura elementu może wzrosnąć nawet do 260°C na czas nie dłuższy niż 5 sekund.

Ważny jest też czas narastania i opadania sygnału na detektorze, który decyduje o maksymalnej szybkości wykrywania obiektów. Wynosi on po 20 μs przy zastosowaniu rezystora 1 kΩ w obwodzie obciążenia. Oznacza to, że już niewiele ponad 40 μs wystarczy do wykrycia pojawienia się i zniknięcia obiektu, o ile tylko obwody sterujące pracą czujnika będą odpowiednio szybkie.

Dostępne modele

Czujniki fotoelektryczne szczelinowe są produkowane w wielu odmianach, różniących się wymiarami, a przede wszystkim rozmiarem szczeliny i jej obszaru aktywnego. W przypadku OncQue szczelina może mieć szerokość od 3,1 mm do 15 mm. Dodatkowo warto zwrócić uwagę na otwory montażowe, w które może być wyposażony czujnik. Mogą znajdować się z lewej, prawej lub z obu stron sensora. Pozwalają one zwiększyć pewność instalacji. Lista dostępnych modeli, jakie można nabyć u polskiego dystrybutora OncQue, firmy Micros, została przedstawiona w tabeli 1.

Tabela 1. Wymiary fotoelektrycznych czujników szczelinowych firmy OncQue

Przykładowe aplikacje

Czujniki fotoelektryczne szczelinowe świetnie nadają się do wykrywania obecności szybko poruszających się obiektów, szczególnie tych cienkich. W efekcie mogą posłużyć np. do monitorowania obecności papieru czy innych taśm. Błyskawiczne działanie umożliwia im detekowanie ciągłości praktycznie dowolnych obiektów. Nie ma znaczenia, czy obiekty te mają właściwości magnetyczne, czy są metalowe, szorstkie, błyszczące, ani nawet jaką mają temperaturę. Do najbardziej popularnych zastosowań należy zaliczyć monitorowanie obecności papieru w drukarkach i na liniach produkcyjnych. Omawiane sensory dobrze sprawdzają się też jako elementy różnego rodzaju systemów bezpieczeństwa, układy zliczające czy swoiste enkodery optyczne. Znajdują zastosowanie również w automatyce budynkowej.

W praktyce okazuje się też, że wiele procesów przemysłowych można delikatnie zmodyfikować tak, by wymusić przesuwanie drobnego, sztywnego elementu przez szczelinę sensora fotoelektrycznego, co pozwoli na wykrywanie choćby pozycji siłowników. Użycie więcej niż jednego detektora umożliwi natomiast mierzenie prędkości poruszania się obiektów przebywających odległość pomiędzy dwoma takimi czujnikami.

Czujniki fotoelektryczne szczelinowe są na tyle uniwersalnymi sensorami, że ich wykorzystanie w dużej mierze zależy od kreatywności inżynierów je stosujących. Dodatkowe pomysły na aplikacje można zdobyć, konsultując się ze specjalistami, którzy widzieli takie czujniki w wielu zastosowaniach. Warto skontaktować się z inżynierami aplikacyjnymi firmy Micros, którzy chętnie udzielą pomocy w zakresie użycia tych i innych czujników w aplikacjach przemysłowych.

Artykuł opublikowany w piśmie Automatyka Podzespoły Aplikacje, nr. 2020/01, s. 66-67