Sensory fotoelektryczne through-beam (czujniki przeciwsobne, jednokierunkowe bariery optoelektroniczne) zbudowane są z emitera oraz odbiornika światła, umieszczonych w oddzielnych obudowach. Źródłem światła jest zazwyczaj podczerwona lub czerwona dioda LED albo dioda laserowa. Światło czerwone, dzięki widoczności wiązki, ułatwia eksploatację sensora. Czujniki na podczerwień są z kolei odporniejsze na wpływy światła z otoczenia i sprawdzają się przy dużym zapyleniu. Lasery zapewniają największą precyzję detekcji.
Emiter i fotodetektor ustawia się naprzeciwko siebie, w poprzek obszaru, przez który przechodzi obiekt, którego obecność sensor ma wykryć (rys. 1 a). Jeżeli przedmiot ten znajdzie się pomiędzy źródłem światła a jego odbiornikiem, zablokuje transmisję strumienia świetlnego.
Czujniki fotoelektryczne tego typu dostępne są także w wersji szczelinowej (widełkowej). W takim przypadku źródło i odbiornik światła integruje się we wspólnej obudowie, również naprzeciwko siebie (rys. 1 b). Sensory przeciwsobne mają kilka zalet, ale i ograniczeń.
W porównaniu z innymi konfiguracjami czujników fotoelektrycznych wyróżnia je większy zasięg wykrywania – od kilku centymetrów do nawet kilkudziesięciu metrów. Wynika to z faktu, że światło jest przesyłane tylko w jednym kierunku, ze źródła bezpośrednio do fotodetektora. Refleksyjność ani kolor powierzchni mierzonego przedmiotu, podobnie jak jego nachylenie, nie mają wpływu na skuteczność detekcji.
Z drugiej strony, źródło i odbiornik światła wymagają wyrównania względem siebie, co komplikuje instalację. W przypadku sensorów z komponentami umieszczonymi w oddzielnych obudowach pod uwagę trzeba też wziąć komplikacje, jakie mogą wyniknąć z ograniczonej przestrzeni w miejscu montażu, oraz konieczność zorganizowania ich okablowania, które trzeba poprowadzić po obydwu stronach obszaru wykrywania.
Czujniki refleksyjne
Popularne są również sensory refleksyjne. W ich przypadku źródło i odbiornik światła umieszczone są we wspólnej obudowie. Ustawia się je równolegle do siebie, po tej samej stronie obiektu, który ma być wykryty. Wiązka świetlna z emitera ulega odbiciu z powrotem do odbiornika od specjalnie skonstruowanego reflektora (odbłyśnika), zoptymalizowanego pod kątem długości fali padającego światła. Jest on montowany po przeciwnej do sensora stronie w obszarze detekcji (rys. 2). Podobnie, jak w czujnikach przeciwsobnych, w tych refleksyjnych zablokowanie transmisji światła przez mierzony obiekt także zostaje wykryte w odbiorniku.
Chociaż czujnik i reflektor również wymagają wyrównania względem siebie, ich konfiguracja jest łatwiejsza, a okablowanie prowadzi się tylko po jednej stronie obszaru wykrywania. Niestety, zasięg detekcji pozostaje krótszy. Wynika to stąd, że transmisja światła jest dwukierunkowa – wiązka świetlna padająca na reflektor po odbiciu wraca do odbiornika. W efekcie odległość wykrywania czujników tego typu mieści się w przedziale od kilku centymetrów do kilku metrów.
Z drugiej strony, ze względu na specyfikę zasady pomiaru, jeśli obiekt, który znajdzie się w zasięgu sensora, ma silnie odblaskową powierzchnię, może nie zostać wykryty. Wynika to stąd, że przejmuje on wówczas funkcję reflektora, stwarzając fałszywe wrażenie, że ścieżka optyczna emiter-odbiornik nie jest zablokowana. Żeby zminimalizować ten efekt, wiązka powinna być spolaryzowana. Uzyskuje się to, uzupełniając czujnik o filtr polaryzacyjny. Oprócz tego sensory refleksyjne mają martwą strefę w bliskiej odległości.
Czujniki dyfuzyjne i triangulacyjne
Kolejny przykład to czujniki dyfuzyjne (rozproszenia). W ich przypadku źródło i odbiornik światła są umieszczane we wspólnej obudowie, ustawianej po jednej stronie obiektu, który ma zostać wykryty. Ponieważ nie wykorzystują reflektora, światło normalnie nie wraca do odbiornika. Gdy w zasięgu sensora znajdzie się obiekt, wiązka świetlna zostanie od niego odbita. To będzie wykryte w odbiorniku dzięki wzrostowi natężenia światła docierającego do niego (rys. 3).
Czujniki dyfuzyjne są tańsze niż sensory fotoelektryczne pozostałych typów, mają tylko jeden punkt instalacji i okablowanie wyłącznie po jednej stronie strefy wykrywania. Jednak ich odległość detekcji jest znacznie krótsza. Ponadto kolor, materiał i wykończenie (gładkość) powierzchni obiektu wpływają na niezawodność jego wykrywania.
Popularne są też czujniki oparte na zasadzie triangulacji, w których wykorzystuje się to, że miejsce skupienia wiązki zależy od odległości od obiektu wykrywającego. W sensorach tego typu odbiornik jest dwuczęściowy (rys. 4). Gdy obiekt wykrywany znajduje się w ustalonej pozycji, odbite światło jest skupiane między sekcjami fotodetektora. Jeśli przesunie się bliżej czujnika, wzrośnie natężenie światła w jednej części odbiornika (N na rys. 4), a jeżeli odsunie się dalej – w drugiej (F). Sensory tego typu nie tylko wykrywają obecność przedmiotu, ale i wyznaczają odległość od niego. Oblicza się ją na podstawie różnicy natężenia światła w obu sekcjach fotodetektora. Na skuteczność detekcji w przypadku czujników tego typu nie wpływają kolor, materiał, wykończenie (gładkość) powierzchni obiektu ani tło.
Jak wybrać czujnik?
Wybierając czujnik fotoelektryczny do konkretnego zastosowania, trzeba rozważyć kilka kwestii. Na pewno wymagany zasięg detekcji, czyli innymi słowy to, jak daleko od czujnika znajdować się będzie obiekt, który ma zostać wykryty. Ważna jest też średnica wiązki (wielkość plamki świetlnej). Należy wybrać sensor o jej rozmiarze odpowiednim do wielkości przedmiotu, musi być on bowiem wystarczająco duży, żeby mógł zablokować transmisję wiązki.
Kolejnym parametrem czujników fotoelektrycznych jest nadmiar wzmocnienia (excess gain). Oznacza on stosunek energii świetlnej rzeczywiście odebranej przez czujnik do tej minimalnej, wymaganej do zmiany stanu jego wyjścia. Inaczej mówiąc, jest to miara zapasu energii świetlnej dostępnej pomiędzy źródłem a detektorem, wyznaczona w celu zrekompensowania straty sygnału spowodowanej warunkami, jakie panują w otoczeniu (pył, brud). Można zaryzykować stwierdzenie, że nadmiar wzmocnienia stanowi najważniejszy parametr, jaki należy wziąć pod uwagę przy wyborze czujnika fotoelektrycznego.
Chociaż często różne modele sensorów tego typu porównuje się na podstawie zasięgu wykrywania, praktyczne znaczenie ma właśnie ten zapas. Im jest większy, tym większe prawdopodobieństwo, że czujnik będzie nadal działać, mimo nagromadzenia się na nim brudu i produktów kondensacji albo obecności zanieczyszczeń unoszących się w powietrzu (pyłów, zadymienia). Krzywe wzmocnienia nadmiarowego są zazwyczaj dostępne w karcie katalogowej. Na rysunku 5 przedstawiamy przykładowe wykresy dla sensorów przeciwsobnych i refleksyjnych.
Inne ważne parametry to powtarzalność wykrywania i histereza, która wpływa na fałszywe detekcje spowodowane drganiami lub ruchem obiektu. Na działanie czujników fotoelektrycznych może mieć też wpływ światło otoczenia, dlatego ważne jest uwzględnienie wszelkich tego typu zakłóceń, jak i cech obiektu, takich jak kolor (silnie pochłaniający albo odbijający światło o określonej długości fali) i tekstura powierzchni. Ważne też, by sprawdzić, czy w miejscu instalacji czujnika znajduje się wystarczająco dużo przestrzeni na jego zamontowanie i poprowadzenie okablowania.
Monika Jaworowska
