سنسور نوری چیست؟

بررسی اجمالی سنسور نوری

سنسورهای نوری یا فتوالکتریک از معروف ترین و پرکاربردترین سنسورها در صنعت به شمار می آیند. سنسورهای نوری نوع دیگری از سنسورهای غیر تماسی هستند که بر اساس ارسال و دریافت اشعه مادون قرمز طراحی شده اند. سنسور نوری اشعه های نور را به سیگنال های الکترونیکی تبدیل می کند. نور مادون قرمز پالس هایی با فرکانس 30-50 هرتز است که در ساخت سنسور های نوری از آن با طول موج ۸۸۰ هرتز استفاده می شود. تداخل نور مادون قرمز با نور محیط کم است که این امر باعث بیشتر شدن فاصله سوئیچینگ سنسور می شود. جهت تنظیم حساسیت سنسور بر روی آن یک پتانسیومتر نصب می شود که می تواند شدت نور را کم و زیاد کند.

استفاده از نور مدوله شده باعث افزایش رنج تشخیص سنسور و همچنین کاهش اثر نور محیط بر روی سنسور می شود. این نور قادر است در طیف نور مرئی سبز تا نور نامرئی مادون قرمز باشد. سرعت اين سنسورها بسیار بالا و طول عمر آنها طولانی است، همچنین اتلاف توان در سنسورهای فتوالکتریک پایین است. اين سنسورها با توجه به خاصیت شکستگی و پراکندگی نور در صورت کثیف و آلوده شدن دچار مشکل خواهند شد. در سنسورهای نوری هر چه فاصله سنسور با شیء مورد نظر کمتر باشد دقت سنسور بیشتر می شود.

ساختمان سنسور نوری چیست؟

سنسورهای نوری از دو قسمت اصلی فرستنده و گیرنده تشکیل شده اند که با توجه به نوع سنسور آن می توان از اجزای دیگری همچون انعکاس دهنده و هدایت کننده نور نیز استفاده نمود. در فرستنده سنسورهای نوری یک منبع تولید نور قرمز و یا مادون قرمز قرار دارد که در یک خط راست نور را ساطع می کنند که در گیرنده سنسور، نور دریافتی فیلتر شده و توسط مدارهای الکترونیکی تحلیل می شود و خروجی را تغییر می دهند.

روش عملکرد سنسورهای نوری

سنسورهای فتوالکتریک یا نوری دارای دو مد کنترلی روشن بین (light on) و تاریک بین (Dark On) می‌باشند. در عملکرد روشن بین (light on) هنگامی که جسم هدف در مقابل سنسور نوری قرار می گیرد نور به جسم برخورد می کند و به سمت گیرنده بازتاب می شود و گیرنده سنسور حضور جسم را تشخیص می دهد و سنسور یک سیگنال به خروجی ارسال نموده و خروجی را فعال می کند و هنگامی که جسمی در مقابل سنسور نوری نباشد خروجی خاموش می شود.

در عملکرد تاریک بین (Dark On)  این مد برعکس مد روشن بین است یعنی هنگامی که جسم در مقابل سنسور نوری قرار ندارد خروجی سنسور فعال می شود و هنگامی که جسم در مقابل سنسور نوری قرار دارد خروجی خاموش می شود.

خروجی یک سنسور نوری پس از فعال شدن، به دو حالت تقسیم می شود:

1. PNP: هنگامی که یک ولتاژ مثبت (Source) تولید کند که به آن نوع PNP گفته می شود.
2. NPN: هنگامی که ولتاژ منفی (Sink) تولید کند که به آن نوع NPN می شود.

مشخصات مهم سنسورهای نوری عبارتند از:

• فرکانس سوئیچینگ: حداکثر تعداد قطع و وصل یک سنسور در ثانیه را فرکانس سوئیچینگ می گویند که واحد اندازه گیری آن هرتز (Hz) است.
• فاصله سوئیچینگ (S): فاصله بین قطعه استاندارد و سطح حساس سنسور هنگامی که عمل سوئیچینگ انجام می شود.
• فاصله سوئیچینگ نامی (Sn): فاصله میان قطعه استاندارد و سطح حساس که در حالت نرمال و بدون در نظر گرفتن پارامترهای متغیر مانند درجه حرارت و ولتاژ تغذیه تعریف می شود.
• نوع خروجی: می تواند روشن بین یا تاریک بین و NPN یا PNP باشد.

پارامتر های خاص در رابطه با سنسورهای فتوالكتريك:

فاصله آشكارسازي : به فاصله اي گفته می شود كه شيء در آن احساس یا درك مي شود .

موضوع آشكارسازي : جسمی كه سنسور قادر است آن را آشكار نماید.

فاصله عمل : به مسافت بين سنسور و شيء متحرك بر روي محور نوري گفته می شود.

فاصله قطع : به فاصله اي گفته می شود كه پس از آن سنسور قادر نیست شيء را آشكار نماید.

محور نوري: محوري است كه سنسور فتوالكتريك در مركز آن قرار دارد که در واقع محدوده فعالیت سنسور است.

زاويه هدايت : به زاويه بين منتشر كننده و گيرنده و منعكس كننده نور گفته می شود.

سرعت آشكارسازي: تعداد دفعاتی که سنسور حضور جسم را در یک ثانیه تشخیص می دهد .

محيط عمل چراغ: به شعاع عملكرد منبع نور لامپ تحت شرايط استاندارد، محیط عمل چراغ گفته مي شود.

ولتاژ مجاز واحد خروجي : ولتاژي كه در واحد خروجي براي سنسور فتوالكتريك مورد استفاده قرار مي گيرد، ولتاژ مجاز واحد خروجی نامیده می شود که به جريان بستگي دارد.

جريان مجاز واحد خروجي : بیشترین جریانی که مصرف کننده می تواند از سنسور تغذیه کند. در صورتی که مصرف کننده جریان بیشتری را از سنسور بکشد این امر باعث آسیب جدی به سنسور می شود.

واحد پرتاب نور : واحدی است که شامل منبع توليد نور و عدسي هاي كانوني دهنده است.

قسمت گيرنده نور : این قسمت شامل سيستم اپتيكي و مبدل فتوالكتريك می شود.

شعاع اختلاف عملكرد : مسافت بین عملكرد و توقف عملكرد مجدد را نمایش می دهد.

کاربرد های سنسورهای فوتوالکتریک

• شمارش محصولات تولید شده
• تشخیص ایراد در ظاهر محصولات
• تشخیص محتویات داخل کنسروهای فلزی
• تشخيص عبور اشیاء از خطوط انتقال
• تشخيص لحظه اي جسم
• تشخيص ناهمواري در سطوح

انواع سنسورهای نوری از لحاظ عملکرد

سنسورهاي نوري به سه نوع كلي تقسیم می شوند:

1. سنسور يك طرفه
2. سنسور تشخيص دو طرفه
3. سنسور تشخيص آینه دار یا رفلكتوري

1 – سنسور نوری يك طرفه (Diffuse)

این سنسور شامل یک فرستنده و یک گیرنده است که هر دو در یک بدنه قرار می گیرند. فرستنده بی وقفه یک شعاع نوری (نور قرمز مرئی یا لیزر) را از خود ساطع می کند. اگر این شعاع نوری به مانعی برخورد نماید قسمتی از شعاع نوری منعکس شده و به قسمت گیرنده که در داخل سنسور قرار دارد، می رسد. در سنسورهای نوری فاصله سوئیچینگ به میزان انعکاس نوری و میزان انعکاس نور به مواردی همچون رنگ و جنس مانع بستگی دارد، به طوری که انعکاس سطوح روشن از سطوح تیره و غیر روشن بیشتر می باشد.

سنسور های نوری یک طرفه، اجسامی که دارای قابلیت انعکاس نور مادون قرمز هستند را تشخیص می دهند. سنسورهای نوری یک طرفه قادر به تشخیص اجسام مات، سیاه و تیره نیستند.

هنگام نصب سنسور های یک طرفه باید پشت زمینه سنسور مات باشد و نور را جذب نماید تا در صورتی که مانعی روبروی سنسور وجود نداشت، نور منعکس شده به سنسور  باعث فعال شدن سنسور نوری نشود. مدل یک طرفه در میان انواع فتوالکتریک دارای کمترین فاصله سوئیچینگ است که این فاصله از فاصله سوئیچینگ سنسورهای القایی و خازنی بیشتر بوده و مقدار آن حدوداً 2 متر می باشد.

کاربرد سنسورهای نوری یک طرفه:

سنسورهای نوری یک طرفه با توجه به ماهیت کاری و نداشتن قسمت آینه و یک جا بودن گیرنده و فرستنده، بسیار آسان نصب می شوند. از کاربردهای سنسور نوری یک طرفه می توان به موارد زیر اشاره نمود:

• در بالای خودروها در پارکینگ هوشمند جهت تشخیص حضور یا عدم حضور خودر.
• در سیستم های روشنایی جهت صرفه جویی در انرژی
• در گیت ها جهت شمارش
• شمارش بطری ها در خطوط تولید و …

2 – سنسور تشخيص رفلكتوری (Retro – Reflective)

در مدل های رفلکتوری یا آینه دار فرستنده و گیرنده هر دو در کنار یکدیگر و داخل یک بدنه نصب می شوند، به طوری که رفلکتور روبروی آنها قرار می گیرد. در سنسورهای رفلکتوری نور مادون قرمز از فرستنده به سمت آینه یا رفلکتور تابیده می شود که آینه، این شعاع نوری را به سمت گیرنده منعکس می نماید. هنگامی که مانعی میان فرستنده و رفلکتور قرار گیرد این مانع باعث می شود شعاع نور به سمت گیرنده منعکس نشود در این حالت سنسور وجود مانع یا جسم را تشخیص داده و خروجی تغییر وضعیت می دهد. فاصله تشخیص سنسورهای نوری رفلکتوری به دلیل وجود آینه از مدل های یک طرفه بیشتر و از مدل های دو طرفه کمتر است و حدودا 5/1 تا 7 متر هستند.

کاربرد سنسورهای نوری رفلکتوری:

• شمارش محصولات در خط تولید
• تشخیص بطری های خالی و شفاف و …

3 – سنسور تشخيص دو طرفه (Through Beam)

در سنسورهاي نوري دو طرفه فرستنده و گیرنده هر کدام به صورت جداگانه در یک بدنه قرار می گیرند. در این سنسورها فرستنده در يك سمت و  گيرنده در سمت دیگر و روبروی فرستنده قرار گرفته و نور مادون قرمز بی وقفه و مستقیماً از سمت فرستنده به گیرنده حرکت می کند. هنگامی که جسمی میان فرستنده و گیرنده قرار گیرد و مانع بازتاب شعاع نوری به سمت گیرنده شود در این شرایط سنسور جسم را تشخیص می دهد و پس از آن وضعیت خروجی سنسور تغییر می یابد.

فاصله تشخیص سنسور نوری دوطرفه 10 متر است. سنسورهای نوری دو طرفه دارای قابلیت عملکرد در محیط های آلوده، غبارآلود و مرطوب هستند. از ویژگی های بسیار مهم سنسورهای دوطرفه مهم نبودن رنگ و جنس اجسام است. زیرا با قطع شدن نور به گیرنده خروجی سنسور فعال می شود.

کاربردهای سنسور نوری دو طرفه:

• شمارش اجسام
• درب آسانسورها و پارکینگ ها و …

انواع سنسورهای نوری از لحاظ ظاهر

1 – سیلندری یا استوانه ای :
این سنسورها نیز مانند تمامی سنسورهای فتوالکتریک دارای سه مدل یک طرفه، آینه دار و دوطرفه می باشند. سنسورهای سیلندری نیز دارای مد روشن بین و تاریک بین هستند که جهت تنظیم این مد از یک سیم کنترلی در خروجی سنسور استفاده می شود. این سنسور دارای خروجی های NPN , PNP  است.

2 – مکعبی :
سنسورهای نوری مکعبی نیز دارای سه مدل یک طرفه، آینه دار و دو طرفه هستند. سنسورهای مکعبی در سایز ها و ابعاد مختلفی تولید می شوند و دارای مدل های متنوعی هستند. خروجی این سنسورها ترانزیستوری و رله ای است. خروجی ترانزیستوری دارای دو مدل NPN , PNP می باشند که با توجه به مدل انتخاب می شوند.

3 – U شکل :
این سنسورها تنها در مدل دو طرفه به صورت U شکل تولید می شوند و فاقد مدل های یک طرفه و آینه دار هستند. طراحی این مدل به صورتی است که در داخل دهانه U یک گیرنده و در مقابل گیرنده یک فرستنده قرار می گیرد و هنگامی که جسمی از دهانه U شکل عبور کند خروجی فعال می شود. این مدل سنسور در  اشکال متنوعی طراحی و ساخته می شوند که خروجی آنها دارای دو مدل PNP  و NPN  می باشند. از این مدل سنسورها برای تشخیص پارگی تسمه ها و یا در دستگاه های بسته بندی و دستگاه های پر کن استفاده می شود.

4 – همراه با کابل فیبر نوری :
با توجه به این که سنسورهای فیبر نوری از مواد پلیمری مخصوص و قابل انعطاف ساخته شده اند می توان نور مادون قرمز را از طریق این فیبر به جهت های مختلفی انتفال داد. در این سنسورها با استفاده از یک آمپلی فایر نور را از فیبر نوری به سمت جسم ساطع کرده و با توجه به کاربرد مورد نظر از طریق لنزهای متفاوت موقعیت و فاصله سنسور مشخص می شود. سنسورهای نوری از طریق کابل نوری به صورت مینیاتوری عمل می کنند همچنین هر سه نوع یک طرفه، دو طرفه و رفلکتوری می توانند توسط کابل نوری به صورت مینیاتوری کار کنند.

سنسور های نوری همراه با کابل فیبر نوری در محیط های بسیاری استفاده می شوند از جمله محیط هایی که در آن خطر انفجار وجود دارد. یکی دیگر از قابلیت های کابل فیبر نوری امکان استفاده سنسور یک طرفه مانند دو طرفه است.

فواید و کاربرد سنسور با کابل فیبر نوری :

• تشخیص قطعات در محیط هایی که دسترسی محدود است
• امکان نصب بدنه سنسور دور از محیط هایی که احتمال خطر انفجار و تشعشع وجود دارد
• امکان تشخیص قطعات کوچک با دقت بالا
• تشخیص قطعات متحرک
• امکان استفاده از سنسورهای یک طرفه مانند سنسورهای دو طرفه

5 – سنسورهای پرده نوری :
این سنسورها از تعداد زیادی سنسور نوری کنار هم تشکیل شده است که معمولاً برای حفاظت از دست اپراتور برای دستگاه های برش و پرش و در درب آسانسورها برای بسته نشدن درب بر روی مسافر مورد استفاده قرار می گیرند.

کاربرد سنسور پرده نوری