Czujniki fotoelektryczne i optyczne w automatyce – przegląd technologii

Wstęp

Współczesna automatyka przemysłowa nie mogłaby istnieć bez systemów sensorycznych, które umożliwiają maszynom „widzenie” i „reagowanie” na otoczenie. Jedną z najważniejszych grup czujników stosowanych w automatyzacji procesów są czujniki fotoelektryczne i optyczne. Dzięki ich uniwersalności, szybkości działania i precyzji pomiaru znajdują one zastosowanie niemal w każdej gałęzi przemysłu – od produkcji żywności, przez motoryzację, aż po logistykę i robotykę.
Celem tej pracy jest przedstawienie podstawowej charakterystyki czujników fotoelektrycznych i optycznych, omówienie zasady ich działania, klasyfikacji oraz zastosowań w praktyce przemysłowej.

Warto pamiętać, że w zautomatyzowanej fabryce istotnym jest zintegrowanie szeroko pojętej automatyki (robotów, czujników i maszyn) z Zintegrowanym Systemem Informatycznym np. Insert + Mozart Produkcja. Pozwoli to na optymalne wykorzystanie możliwości dostępnych środków produkcji.

1. Pojęcie i klasyfikacja czujników optycznych

Czujniki optyczne to urządzenia pomiarowe, które wykorzystują zjawiska związane z promieniowaniem elektromagnetycznym, głównie w zakresie światła widzialnego i podczerwieni. Ich podstawowym zadaniem jest detekcja obecności, położenia, ruchu, koloru, kontrastu lub odległości obiektów.
Wśród czujników optycznych wyróżnia się:
– Czujniki fotoelektryczne (fotoprzekaźniki, zwane także fotkomórkami)
– Czujniki koloru i kontrastu
– Czujniki światłowodowe
– Czujniki wizyjne (kamery przemysłowe)

Cecha	Czujniki fotoelektryczne	Czujniki optyczne
Zasada działania	Emisja i odbiór światła do wykrywania obecności, zmian w oświetleniu lub koloru	Analiza zmian światła – obecność, kolor, jasność
Typy	Z odbłyśnikiem, bez odbłyśnika, dalekiego zasięgu, kompaktowe, wytrzymałe	Przelotowe, odbiciowe, rozproszone odbiciowe
Zastosowanie	Kontrola obecności, pozycjonowanie, liczenie, sortowanie, zabezpieczanie maszyn	Sortowanie odpadów, kontrola jakości, analiza materiałów
Zalety	Duży zasięg, wykrywanie małych obiektów, odporność na zakłócenia elektromagnetyczne	Precyzyjna analiza, rozróżnianie materiałów, wykrywanie subtelnych zmian
Przykłady	Kontrola obecności produktów na taśmach produkcyjnych.	Czujniki spektrometryczne, czujniki w myszach komputerowych

Tabela 1 Porównanie czujników fotoelektrycznych i optycznych (wyg. przy pomocy AI)

2. Czujniki fotoelektryczne – zasada działania

Czujnik fotoelektryczny (zwaneytakże fotokomórką) działa na zasadzie emisji i detekcji wiązki światła. Zazwyczaj zawiera on nadajnik (dioda LED emitująca światło w paśmie podczerwieni lub czerwonym) oraz odbiornik (fotodioda lub fototranzystor). Gdy wiązka zostaje przerwana lub odbita przez obiekt, generowany jest sygnał wyjściowy.
Tryby pracy:
1. Bariery – oddzielny nadajnik i odbiornik
2. Odbiciowy – nadajnik i odbiornik w jednej obudowie, sygnał odbija się od obiektu
3. Lustrzany – odbicie od reflektora, wykrycie następuje przy przerwaniu wiązki

Rysunek 1 Czujnik fotoelektryczny – zasada działania

3. Czujniki koloru i kontrastu – zasada działania

Czujniki koloru rozróżniają długości fal odbitego światła, co pozwala na identyfikację barwy powierzchni. Czujniki kontrastu wykrywają różnice między ciemnymi i jasnymi obszarami, np. znaczniki na taśmach produkcyjnych. Używa się ich do selekcji, sortowania, kontroli jakości i wykrywania pozycji elementów.

Rysunek 2Czujniki koloru i kontrastu – zasada działania (wyg. przy pomocy AI)

4. Czujniki światłowodowe – zasada działania

Czujniki światłowodowe to specjalny typ czujników optycznych, które wykorzystują światłowody do transmisji i detekcji światła. Stosowane są tam, gdzie tradycyjne czujniki optyczne nie mogą być użyte z powodu ograniczonej przestrzeni, wysokiej temperatury lub trudnych warunków środowiskowych.

Zasada działania:

1. Źródło światła (np. dioda LED) emituje promień świetlny.
2. Światłowód przenosi to światło do miejsca pomiaru.
3. Po odbiciu (lub przerwaniu wiązki przez obiekt) światło wraca światłowodem do detektora, który analizuje sygnał.

System składa się z dwóch głównych części:

• Głowicy światłowodowej – cienki, elastyczny przewód zakończony sondą (może mieć formę linii, punktu, okręgu).
• Modułu elektronicznego – odpowiada za generację światła, odbiór i analizę sygnału.

Rodzaje czujników światłowodowych:

Rodzaj	Opis
Refleksyjny (odbiciowy)	Wykrywa obiekt na podstawie odbitego światła.
Przelotowy (bariera)	Jeden światłowód transmituje, drugi odbiera – obiekt przerywa wiązkę.
Rozproszeniowy	Wykrywa światło rozproszone przez obiekt – przydatny dla powierzchni matowych.

Tabela 2 Rodzaje czujników światłowodowych (wyg. przy pomocy AI)

Zalety:

• Idealne do trudno dostępnych miejsc
• Odporność na wysoką temperaturę, wilgoć, drgania
• Możliwość detekcji bardzo małych obiektów
• Elastyczność montażu (bardzo cienkie przewody)

Rysunek 3 Czujniki światłowodowe – zasada działania (wyg. przy pomocy AI)

5. Czujniki wizyjne (kamery przemysłowe) – zasady działania

Czujniki wizyjne, nazywane również kamerami przemysłowymi, to zaawansowane urządzenia optoelektroniczne służące do rejestrowania i analizowania obrazu w celu wykrywania obiektów, ich cech, położenia lub zgodności z normami. Stanowią istotny element systemów wizyjnych wykorzystywanych w automatyce, robotyce i kontroli jakości.

Zasada działania czujników wizyjnych:

1. Rejestracja obrazu
   Kamera przemysłowa wykonuje zdjęcie obiektu lub obszaru roboczego z użyciem matrycy światłoczułej (np. CMOS lub CCD).
2. Przetwarzanie sygnału
   Obraz przekształcany jest na sygnał cyfrowy i przekazywany do procesora lub sterownika.
3. Analiza obrazu
   Oprogramowanie analizuje dane obrazu, np. kształt, kolor, wymiary, pozycję, orientację, defekty.
4. Podejmowanie decyzji
   Na podstawie analizy czujnik wysyła sygnał sterujący, np. do sortera, robota lub PLC, uruchamiający odpowiednią reakcję (np. odrzut produktu, zatrzymanie linii).

Możliwości i zastosowania:

Funkcja	Przykład zastosowania
Identyfikacja obiektów	Odczyt kodów QR, etykiet, tekstu (OCR)
Kontrola jakości	Wykrywanie wad, pęknięć, zabrudzeń
Pomiar i inspekcja	Pomiar długości, szerokości, pozycji, kąta
Pozycjonowanie	Naprowadzanie ramienia robota na element
Sortowanie	Rozpoznawanie kolorów lub kształtów do separacji

Tabela 3: Czujniki wizyjne – metody zastosowania przy pomocy AI)

Zalety czujników wizyjnych:

• Bezkontaktowe i szybkie przetwarzanie informacji wizualnej
• Wysoka precyzja i powtarzalność pomiarów
• Automatyzacja kontroli jakości na bieżąco
• Możliwość analizy wielu cech jednocześnie

Rysunek 4 Czujniki wizyjne – schemat działania (wyg. przy pomocy AI)

6. Zalety czujników fotoelektrycznych i optycznych

– Bezstykowa detekcja
– Wysoka szybkość reakcji
– Duża dokładność
– Możliwość wykrywania małych obiektów i znaczników

7. Zastosowanie w przemyśle

– Przemysł spożywczy – liczenie produktów, kontrola opakowań
– Motoryzacja – kontrola pozycji i obecności części
– Logistyka – sortowanie paczek, kontrola etykiet
– Farmacja – detekcja obecności fiolki, nadruku, etykiety

8. Ograniczenia i wyzwania

– Czułość na zabrudzenia i pył
– Zakłócenia przy błyszczących powierzchniach
– Ograniczony zasięg działania

9. Przykładowi producenci

· Omron

· Keyence

· SICK

· Banner Engineering

· Pepperl+Fuchs

· Leuze Eletronic

10. Tryby Pracy

Tryb pracy	Opis działania	Zalety	Wady
Przelotowy (bariera)	Nadajnik i odbiornik znajdują się naprzeciwko siebie. Obiekt przerywa wiązkę światła.	Wysoka niezawodność detekcji, duży zasięg	Wymaga dokładnego ustawienia nadajnika i odbiornika
Lustrzany (z reflektorem)	Światło odbija się od reflektora i wraca do odbiornika. Obiekt przerywa tor światła.	Łatwiejszy montaż niż w przelotowym, brak konieczności precyzyjnego ustawiania odbiornika	Wymaga stosowania reflektora; może być wrażliwy na zabrudzenia
Odbiciowy (refleksyjny)	Nadajnik i odbiornik są w jednej obudowie. Obiekt odbija światło z powrotem do czujnika.	Kompaktowe rozwiązanie, prosta instalacja	Mniejszy zasięg, podatność na błędy w przypadku ciemnych lub przezroczystych obiektów

Tabela 4 Porównanie trybów pracy czujników fotoelektrycznych (wyg. przy pomocy AI)

Podsumowanie

Czujniki fotoelektryczne i optyczne są ważnym narzędziem w nowoczesnej automatyce przemysłowej. W niektórych przypadkach jak tworzenie stref bezpieczeństwa przy obszarach pracy maszyny wręcz niezastąpione. Ich uniwersalność, precyzja i bezkontaktowa zasada działania pozwalają na szerokie zastosowanie w różnych branżach. Ich dalszy rozwój przyczyni się do jeszcze większej efektywności procesów produkcyjnych oraz poprawy jakości i bezpieczeństwa w zakładach pracy.