Ogromne możliwości miniaturowych czujników optycznych MICROmote firmy Balluff

Fot. 1. Miniaturowe czujniki BOH znajdują zastosowanie tam gdzie przestrzeń montażowa jest ograniczona lub ze względu na dynamikę układu, waga podzespołów musi być zredukowana do minimum

Aby uzyskać odpowiedni poziom miniaturyzacji, zdecydowaliśmy się na układ składający się z wytrzymałej, wykonanej z metalu głowicy optycznej oraz zewnętrznego wzmacniacza odpowiedzialnego za przetwarzanie otrzymanego sygnału. Umieszczenie elektroniki poza elementem wykrywającym pozwoliło na wykonanie głowic optycznych o zdumiewających rozmiarach - np. najmniejsza głowica ma średnicę Φ2 mm, pomimo to w wersji odbiciowej, na tak ograniczonej przestrzeni znajduje się zarówno nadajnik jak i odbiornik. Przy takich gabarytach głowicę można umieścić bardzo blisko procesu pomijając dobrze znane problemy wynikające choćby z braku miejsca na zamontowanie standardowego, często kilkunastokrotnie większego czujnika.

Głowice dostępne są w ponad 60 różniących się obudową i parametrami wersjach. Pod względem obudowy w ofercie znajdziemy rozwiązania cylindryczne o wymiarach od Φ2 mm do M6, prostopadłościenne od 6×6×12 mm do 18×15×4,8 mm oraz głowice widełkowe o szerokości wiązki od 8 do 30 mm i wysokości od 40 do 80 mm oraz szerokowiązkowe bariery jednokierunkowe o szerokości wiązki 30 lub 80 mm i odległości między nadajnikiem a odbiornikiem do 500 mm. Jeżeli chodzi o metody działania, do wyboru są wersje odbiciowe oraz bariery jednokierunkowe, strefy działania w zależności od rozmiaru głowicy wahają się od 12 mm przy odbiciowym czujniku o wymiarze Φ2 mm do 4 m metrów w przypadku bariery laserowej w obudowie M6.

W przypadku czujników MICROmote mamy do wyboru światło czerwone LED, światło czerwone microSPOT o skupionej plamce gwarantujące doskonały pomiar małych obiektów oraz głowice ze światłem laserowym. Szczególnie ciekawą propozycję stanowi wspomniana już bariera laserowa w obudowie M6 o strefie działania do 4 m, która jest w stanie wykrywać elementy o średnicy od 0,05 mm.

W przypadku czujników widełkowych i szerokowiązkowych barier jednokierunkowych element nadawczy składa się z umieszczonych równolegle diod LED, których promienie światła nakładają się na siebie, tworząc bardzo jednolite pasmo światła docierające do odbiornika. Daje to tę zaletę, że przedmioty niezależnie od umieszczenia w przestrzeni wiązki, są dokładnie wykrywane przez elementy odbiorcze.

Fot. 2. Wytrzymałe głowice optyczne BOH w obudowie metalowej połączone są z oddzielnym wzmacniaczem, który może być umieszczony z dala od procesu; bardzo giętkie przewody elektryczne łączące elementy zapewniają bezpieczną transmisję sygnału

Typowe zastosowania to szybkie liczenie przelatujących przez wiązkę obiektów, zadania pomiarowe, np. pomiar średnicy czy kontrola prowadzenia krawędzi. Sygnał z głowicy przesyłany jest do zewnętrznego wzmacniacza sygnału, dostępnego w trzech wariantach Standard, Advanced i Premium, różniących się metodą kalibracji i wizualizacji pomiaru.

Czujniki fotoelektryczne o wymiarach zaledwie kilku milimetrów to nie tylko imponująca technologia, ale również unikalna modułowa koncepcja. Dzięki temu użytkownicy mogą łączyć dowolny wzmacniacz z dowolną głowicą, aby szybko i efektywnie znaleźć odpowiednie rozwiązanie dla prawie każdej aplikacji.

Wykrywanie położenia małych części, zliczanie przelatujących obiektów o niewielkich rozmiarach czy wykrywanie poziomu płynów może być realizowane tak samo szybko i elastycznie. Rozwiązanie na pierwszy rzut oka przypomina dobrze znane klasyczne wzmacniacze światłowodowe, w których nadajnik i odbiornik światła umieszczone są w obudowie wzmacniacza, a światłowód zakończony metalową końcówką o żądanych wymiarach jest jedynie medium transmisyjnym. Nawet delikatne załamanie światłowodu skutkowało zmianą otrzymanego sygnału, co było kluczowe dla wartości pomiaru. Dodatkowo konieczność zachowania minimalnego kąta gięcia przy prowadzeniu przewodu światłowodowego stanowi znaczne ograniczenie montażowe.

Dzięki opatentowanej przez Balluff metodzie wytwarzania elementów optycznych o minimalnych rozmiarach w czujnikach MICROmote zostały one umieszczone w głowicach optycznych, a więc tuż przy badanym elemencie. Światłowód został zastąpiony wysoce elastycznym przewodem elektrycznym, co pozwoliło na wyeliminowanie strat oraz konieczności zachowania kąta gięcia. Przewody wykorzystane w głowicach BOH mają średnicę jedynie 1,8 mm i są w stanie wytrzymać obciążenie rozciągające do 90 kg, gwarantując najwyższą wytrzymałość.

Fot. 3. Rozwiązanie wykorzystywane do wykrywania cieczy lub obecności pęcherzyków gazu; pomiar bazuje na różnicy w załamaniu światła dla powietrza i cieczy w przeprowadzonej przez głowice kapilarze

Połączenie doskonałych parametrów mechanicznych i doskonałej jakości sygnału sprawia że czujniki MICROmote stanowią, idealną alternatywę dla rozwiązań światłowodowych. Projekt miniaturowych czujników wymagał od deweloperów w centrum kompetencyjnym Balluff w Neubiberg w Niemczech wykorzystania niekonwencjonalnych elementów optycznych.

Ambitne wymagania nie mogły być spełnione z powodów ograniczeń technologicznych rozwiązań dostępnych na rynku. Pozostało jedno wyjście: stworzenie i opatentowanie własnej technologii wytwarzania elementów mikrooptyki. Procedura ta opłaciła się, nowe komponenty są fascynujące nie tylko ze względu na wysoki stopień miniaturyzacji, ale również ze względu na swoje wyjątkowe właściwości optyczne.

W przeciwieństwie do dotychczasowych odpowiedników, które często mają wartość kąta rozchodzenia się wiązki nawet do 30°, w odniesieniu do produktów z Neubiberg ten wynosi mniej niż 1°. Ponadto diody LED z serii MicroSPOT mają imponujące kąty otwarcia wynoszące średnio około 3° i możliwe szczytowe wartości zaledwie 1° przy wymiarach optyki o średnicy 2 mm i zachowaniu okrągłej plamki świetlnej.

Stworzone przez Balluff diody LED, fotodiody i fototranzystory stanowią kompletne jednostki optyczne, które mają niewielkie rozmiary zachowując doskonałą jakość wiązki światła. Do uzyskania doskonałych parametrów nie są wymagane dodatkowe soczewki lub filtry, monolityczna budowa niweluje więc konieczność czasochłonnych mikrokalibracji czy montażu dodatkowych części optycznych w układzie, gwarantując zawsze najwyższą jakość.

Oprócz projektów dla standardowych zadań, takich jak wykrywanie obiektów, przygotowaliśmy także rozwiązania pod specjalistyczne projekty. Kategoria ta obejmuje na przykład czujniki do wykrywania wody. Korzystają one z określonej długość fali świetlnej, która załamuje się w przypadku wykrycia cieczy.

Fot. 4. Głowice widełkowe BOH wykorzystywane do zliczania przelatujących elementów lub kontroli prowadzenia krawędzi

Połączenie niezwykle kompaktowej konstrukcji i mikrooptyki pozwala na niezawodne stosowania tego rozwiązania w rurkach o małej średnicy i kapilarach. Precyzyjne czujniki do wykrywania cieczy i pęcherzyków gazu są innym interesującym przykładem.

Przejście pomiędzy powietrzem i cieczą może być wykryte z wysoką dokładnością za pomocą zainstalowanej mikrooptyki, ponieważ wykrywają one różne załamania światła w zależności od badanego medium. Rozwiązanie to stanowi doskonały system do kontroli obecności pęcherzyków gazu w aplikacjach, w których jego obecność nie jest pożądana.

Chcąc podsumować jednym wyrazem nowe czujniki MICROmote firmy Balluff, najlepszym wyborem będzie "elastyczność". Szeroka gama produktów o rozmaitych parametrach mechanicznych i fizycznych kompatybilna z różnymi wzmacniaczami to możliwość wyboru niezależnie, czy aplikacja będzie standardowa, czy specjalistyczna.

Miniaturowe rozmiary i wykorzystanie przewodu elektrycznego łatwość i wygoda montażu nawet w bardzo w ograniczonych przestrzeniach. Całości dopełnia najwyższa technologia wytwarzania komponentów optycznych, gwarantująca najlepsze parametry optyczne przy najmniejszych rozmiarach.

Szymon Gumółka
Balluff
www.balluff.pl