Cảm biến sợi quang Fiber sensor

Cảm biến sợi quang

Phụ lục nội dung

Cảm biến sợi quang là gì?

Cảm biến sợi quang là một loại cảm biến quang điện cho phép phát hiện các vật thể ở vị trí hẹp bằng cách truyền ánh sáng từ Bộ khuếch đại sợi quang với Bộ sợi quang.

 

Sự khúc xạ

Khúc xạ là hiện tượng ánh sáng bị lệch hướng khi đi qua ranh giới giữa hai môi trường có chiết suất khác nhau.

Phản xạ (Phản xạ đều, Phản xạ ngược, Phản xạ khuếch tán)

Một bề mặt phẳng, chẳng hạn như kính hoặc gương, phản xạ ánh sáng ở một góc bằng với góc tới của ánh sáng. Loại phản xạ này được gọi là phản xạ đều. Một khối góc tận dụng nguyên lý này bằng cách sắp xếp ba bề mặt phẳng vuông góc với nhau. Ánh sáng phát ra về phía khối góc liên tục truyền đi các phản xạ đều và ánh sáng phản xạ cuối cùng di chuyển thẳng trở lại về phía ánh sáng phát ra. Điều này được gọi là phản xạ ngược.
Hầu hết các bộ phản xạ ngược bao gồm các khối góc có kích thước vài milimét vuông và được sắp xếp theo một cấu hình chính xác.
Các bề mặt mờ, chẳng hạn như giấy trắng, phản xạ ánh sáng theo mọi hướng.
Sự tán xạ ánh sáng này được gọi là phản xạ khuếch tán. Nguyên lý này là phương pháp cảm biến được sử dụng bởi các Cảm biến phản xạ khuếch tán.

Sự phân cực của ánh sáng

Ánh sáng có thể được biểu diễn dưới dạng sóng dao động theo chiều ngang và chiều dọc. Cảm biến sợi quang hầu như luôn sử dụng đèn LED làm nguồn sáng. Ánh sáng phát ra từ đèn LED dao động theo hướng dọc và ngang và được gọi là ánh sáng không phân cực. Có các bộ lọc quang học hạn chế dao động của ánh sáng không phân cực chỉ theo một hướng. Chúng được gọi là bộ lọc phân cực. Ánh sáng từ đèn LED đi qua bộ lọc phân cực chỉ dao động theo một hướng và được gọi là ánh sáng phân cực (hay chính xác hơn là ánh sáng phân cực tuyến tính). Ánh sáng phân cực dao động theo một hướng (ví dụ như hướng dọc) không thể đi qua bộ lọc phân cực hạn chế dao động theo hướng vuông góc (ví dụ: hướng ngang). Chức năng MSR trên Cảm biến phản xạ ngược hoạt động theo nguyên lý này.

(2) Nguồn sáng

Tạo ra ánh sáng (Ánh sáng điều chế xung)

Phần lớn các cảm biến quang điện sử dụng ánh sáng điều chế xung, về cơ bản là phát ra ánh sáng lặp đi lặp lại theo các khoảng thời gian cố định.

Đặc trưng

1. Phát hiện ở những vị trí hẹp

Phần cảm biến nhỏ và cáp đơn vị sợi quang linh hoạt cho phép cảm biến sợi quang phát hiện các vật thể ở những vị trí hẹp.

2. Khả năng chống chịu môi trường vượt trội

Phần cảm biến của Fiber Unit không có mạch điện.
Điều này làm cho nó có độ tin cậy cao ngay cả trong điều kiện môi trường khắc nghiệt, chẳng hạn như nhiệt độ, độ rung, sốc, nước và điều kiện nhiễu điện.

3. Dễ dàng cài đặt

Bộ phận sợi quang có thể được lắp đặt gần đối tượng cảm biến.
Điều này cho phép bạn tự do lựa chọn vị trí lắp đặt Bộ khuếch đại sợi quang.

4. Hầu như không có hạn chế nào về đối tượng cảm biến

Các cảm biến này hoạt động theo nguyên tắc vật thể sẽ ngắt hoặc phản xạ ánh sáng, do đó chúng không bị giới hạn như cảm biến tiệm cận trong việc phát hiện vật thể kim loại. Điều này có nghĩa là chúng có thể được sử dụng để phát hiện hầu như mọi vật thể, bao gồm thủy tinh, nhựa, gỗ và chất lỏng.

5. Thời gian phản hồi nhanh

Thời gian phản hồi cực kỳ nhanh vì ánh sáng di chuyển với tốc độ cao và cảm biến không thực hiện bất kỳ hoạt động cơ học nào vì tất cả các mạch đều bao gồm các linh kiện điện tử.

6. Cảm biến không tiếp xúc

Rất ít khả năng làm hỏng các vật thể cảm biến hoặc Cảm biến vì có thể phát hiện các vật thể mà không cần tiếp xúc vật lý.
Điều này đảm bảo nhiều năm sử dụng Cảm biến.

7. Nhận dạng màu sắc

Tốc độ phản xạ hoặc hấp thụ ánh sáng của một vật thể phụ thuộc vào cả bước sóng của ánh sáng phát ra và màu sắc của vật thể.
Tính chất này có thể được sử dụng để phát hiện màu sắc.

8. Điều chỉnh dễ dàng

Việc định vị chùm tia trên một vật thể rất đơn giản với các mô hình phát ra ánh sáng khả kiến ​​vì chùm tia có thể nhìn thấy được.

Nguyên lý hoạt động

(1) Tính chất của ánh sáng

Sự truyền thẳng

Khi ánh sáng truyền qua không khí hoặc nước, nó luôn truyền theo đường thẳng.

 
 

 (2) Màu sắc và loại nguồn sáng

(3) Cấu trúc và nguyên tắc

Kết cấu

Bộ phận sợi quang không hề có bất kỳ thành phần điện nào nên có khả năng chống nhiễu và các tác động khác từ môi trường tốt hơn.

Danh pháp (Ví dụ: E3NX-FA21/-FA51)

Nguyên tắc phát hiện

Sợi quang bao gồm một lõi trung tâm có chiết suất cao được bao quanh bởi lớp vỏ có chiết suất thấp. Khi ánh sáng đi vào lõi, phản xạ toàn phần lặp đi lặp lại tại ranh giới của lớp vỏ ít khúc xạ hơn sẽ dẫn ánh sáng xuống sợi quang. Góc ánh sáng truyền qua sợi quang tăng lên khoảng 60° khi ánh sáng thoát khỏi sợi và chiếu vào vật thể cảm biến.

Phân loại

(1) Phân loại theo phương pháp cảm biến

1. Cảm biến xuyên chùm tia

Phương pháp cảm biến

Các sợi phát và thu được lắp đặt đối diện nhau để ánh sáng từ bộ phát đi vào bộ thu.
Khi một vật thể cảm biến đi qua giữa các sợi phát và thu làm gián đoạn ánh sáng phát ra, nó làm giảm lượng ánh sáng đi vào bộ thu. Việc giảm cường độ ánh sáng này được sử dụng để phát hiện vật thể.

Đặc trưng

Hoạt động ổn định và khoảng cách phát hiện xa, từ vài cm đến vài chục mét.

Vị trí cảm biến không bị ảnh hưởng bởi những thay đổi trong đường đi của vật thể cảm biến.

Hoạt động không bị ảnh hưởng nhiều bởi độ bóng, màu sắc hoặc độ nghiêng của vật thể cảm biến.

2. Cảm biến phản xạ

Phương pháp cảm biến

Các sợi phát và thu được lắp trong cùng một vỏ và ánh sáng thường không quay trở lại bộ thu.
Khi ánh sáng từ bộ phát chiếu vào vật thể cảm biến, vật thể phản chiếu ánh sáng và đi vào bộ thu, tại đó cường độ ánh sáng tăng lên. Sự gia tăng cường độ ánh sáng này được sử dụng để phát hiện vật thể.

Đặc trưng

Khoảng cách cảm biến từ vài cm đến vài mét.

Dễ dàng điều chỉnh lắp đặt.

Cường độ ánh sáng phản xạ và độ ổn định khi hoạt động thay đổi tùy theo điều kiện (ví dụ: màu sắc và độ mịn) trên bề mặt của vật thể cảm biến.

3. Cảm biến phản xạ ngược

Phương pháp cảm biến

Các sợi phát và thu được lắp trong cùng một vỏ và ánh sáng từ bộ phát thường được phản xạ trở lại bộ thu bằng một tấm phản xạ lắp ở phía đối diện.
Khi vật thể cảm biến ngắt ánh sáng, nó sẽ làm giảm lượng ánh sáng nhận được. Sự giảm cường độ ánh sáng này được sử dụng để phát hiện vật thể.

Đặc trưng

Khoảng cách cảm biến dao động từ vài cm đến vài mét.

Điều chỉnh trục quang và hệ thống dây điện đơn giản (tiết kiệm nhân công).

Hoạt động không bị ảnh hưởng nhiều bởi màu sắc hoặc góc của vật thể cảm biến.

Ánh sáng đi qua vật thể cảm biến hai lần, khiến các cảm biến này phù hợp để cảm biến các vật thể trong suốt.

Cảm biến các vật thể có lớp hoàn thiện phản chiếu có thể không được phát hiện vì lượng ánh sáng phản chiếu trở lại máy thu từ các bề mặt sáng bóng như vậy khiến cho có vẻ như không có vật thể cảm biến nào hiện diện. Vấn đề này có thể được khắc phục bằng cách sử dụng chức năng MSR.

4. Cảm biến phản xạ hạn chế

Phương pháp phát hiện

Tương tự như đối với Cảm biến phản xạ, Cảm biến phản xạ hạn chế nhận ánh sáng phản xạ từ vật thể cảm biến để phát hiện vật thể đó. Bộ phát và bộ thu được lắp đặt để chỉ nhận ánh sáng phản xạ đều, do đó chỉ có thể phát hiện được các vật thể có khoảng cách cụ thể (khu vực phát sáng và thu sáng chồng lên nhau) từ Cảm biến. Trong hình bên dưới, vật thể cảm biến tại (A) có thể được phát hiện trong khi vật thể tại (B) thì không.

Đặc trưng

Có thể phát hiện ra những khác biệt nhỏ về chiều cao.

Khoảng cách từ Cảm biến có thể được giới hạn để chỉ phát hiện các vật thể trong một khu vực cụ thể.

Hoạt động không bị ảnh hưởng nhiều bởi việc cảm biến màu sắc vật thể.

Hoạt động bị ảnh hưởng rất nhiều bởi độ bóng hoặc độ nghiêng của vật thể cảm biến.

(2) Các loại cáp quang

Sợi mềm
Sợi mềm có bán kính uốn cong nhỏ để dễ dàng định tuyến mà không dễ bị đứt.
Dễ sử dụng vì cáp có thể uốn cong mà không làm giảm đáng kể cường độ ánh sáng.

Sợi tiêu chuẩn
Sợi này có bán kính uốn lớn so với sợi chống uốn hoặc sợi mềm dẻo.
Sử dụng sợi này ở nơi có bán kính uốn lớn hoặc trên các bộ phận không chuyển động.

Sợi chống đứt:
Sợi này có khả năng chống uốn cong nhiều lần để sử dụng cho các bộ phận chuyển động.

Đơn vị sợi phản xạ tiêu chuẩn
Cấu trúc này là tiêu chuẩn cho hầu hết các Đơn vị sợi phản xạ.
Sợi thu nằm cạnh sợi phát như minh họa bên dưới.

Đơn vị sợi phản xạ đồng trục
Các đơn vị sợi này cung cấp khả năng phát hiện tốt hơn các vật thể nhỏ ở khoảng cách gần (2 mm hoặc nhỏ hơn) so với Đơn vị sợi phản xạ tiêu chuẩn. Chúng cũng phát hiện các bề mặt bóng đáng tin cậy hơn Đơn vị sợi phản xạ tiêu chuẩn, ngay cả khi bề mặt bị nghiêng. Các sợi thu được sắp xếp xung quanh sợi phát như minh họa bên dưới.

(3) Các loại đơn vị sợi

1. Cài đặt tiêu chuẩn

Mô hình có ren

Lắp đặt theo kiểu vít tiêu chuẩn.
Các đơn vị sợi được lắp vào lỗ khoan và cố định bằng đai ốc.

Mô hình hình trụ

Lý tưởng để lắp đặt ở những không gian hẹp.
Bộ phận sợi quang được cố định bằng vít cố định.

2. Tiết kiệm không gian

Mô hình phẳng

Lắp trực tiếp vào không gian hạn chế mà không cần sử dụng giá đỡ chuyên dụng.

Mô hình tay áo (Phát hiện tầm gần)

Thích hợp để phát hiện ở cự ly gần.
Lý tưởng để phát hiện các vật thể nhỏ trong khu vực có không gian hạn chế.

3. Cải tiến chùm tia

Điểm nhỏ, phản chiếu (Phát hiện vật thể nhỏ)

Điểm nhỏ để phát hiện chính xác các vật thể nhỏ.

Chùm tia công suất cao (Lắp đặt khoảng cách xa, Chống bụi)

Thích hợp để phát hiện trên thiết bị lớn, các vật thể lớn và trong môi trường có các hạt trong không khí

Tầm nhìn hẹp (Phát hiện qua khoảng cách)

Chùm tia sáng mịn ngăn ngừa hiện tượng phát hiện sai ánh sáng phản xạ từ các vật thể xung quanh.

Phát hiện không có nhiễu nền

Các đơn vị sợi quang này chỉ phát hiện các vật thể trong phạm vi cảm biến. Các vật thể ở phía sau nằm ngoài một điểm nhất định sẽ không được phát hiện.

4. Phát hiện vật thể trong suốt

Phản quang ngược

Phát hiện vật thể trong suốt một cách đáng tin cậy vì chùm tia đi qua vật thể hai lần, tạo ra sự gián đoạn ánh sáng lớn hơn.

Phản xạ hạn chế (Phát hiện kính)

Hệ thống quang học phản xạ hạn chế cung cấp khả năng phát hiện ổn định đối với kính phản chiếu.

5. Miễn dịch môi trường

Chống hóa chất, Chống dầu

Được làm từ vật liệu có khả năng chống lại nhiều loại dầu và hóa chất.

Chống uốn cong, Chống ngắt kết nối

Chống uốn cong nhiều lần ở các bộ phận chuyển động và chống vỡ do va đập hoặc va đập.

Chịu nhiệt

Có thể sử dụng trong môi trường nhiệt độ cao lên tới 400°C.

6. Ứng dụng đặc biệt

Chùm tia khu vực (Phát hiện khu vực)

Phát hiện các vật liệu uốn khúc hoặc phôi rơi có vị trí thay đổi trên khắp các khu vực.

Phát hiện mức chất lỏng

Chỉ phát hiện chất lỏng khi lắp trên ống hoặc trong chất lỏng.

Chống chân không

Có thể sử dụng trong điều kiện chân không cao lên tới 10-5 Pa .

FPD, Chất bán dẫn và Pin mặt trời

Được thiết kế chuyên biệt để phát hiện các tấm kính và tấm wafer một cách đáng tin cậy.

 

NGUỒN: IA.OMRON.COM