Lähestymis- ja etäisyysantureiden teknologiavaihtoehtojen valinta

Lähestymis- ja etäisyysantureiden käyttäminen kohteiden läsnäolon ja sijainnin tunnistamiseen ilman fyysistä kontaktia voi olla tärkeää hallittaessa materiaalinkäsittelyn, maatalouskoneiden, valmistuksen ja kokoonpanon sekä elintarvikkeiden, juomien ja lääkkeiden pakkaamisen kaltaisia teollisuusprosesseja.

Näiden antureiden toteutuksessa on käytetty erilaisia teknisiä ratkaisuja, kuten valosähköisyys, laser, induktio, kapasitanssi, magneettisuus ja ultraääni. Valittaessa parasta vaihtoehtoa tiettyyn käyttökohteeseen on huomioitava muun muassa tunnistusetäisyys, koko, tarkkuus, herkkyys, resoluutio ja hinta.

Tunnistettavan objektin materiaali on keskeinen tekijä monissa käyttökohteissa. Jotkin anturit käyttäytyvät eri tavalla kovien ja kuituisten pintojen kanssa, ja objektin väri tai heijastavuus voi vaikuttaa muihin antureihin.

Tässä artikkelissa tarkastellaan yleisesti saatavilla olevia kontaktittomien lähestymisanturien teknologiaa, niiden toimintaa, niiden perusominaisuuksia ja esimerkkiantureita SICK-yritykseltä sekä joitakin käyttökohteita niitä varten.

Valosähköiset anturit

Valosähköiset anturit, kuten valosähköiset SICK W10 -lähestymisanturit, ovat helppoja käyttää ja asentaa, ja niitä on saatavana ominaisuuksilla, jotka sopivat mitä erilaisimpiin käyttökohteisiin. W10-anturien lujatekoinen rakenne tekee niistä sopivia objektien tarkkaan tunnistamiseen haastavissa ympäristöissä. Integroitu kosketusnäyttö nopeuttaa parametrien asettamista ja anturin käyttöönottoa (kuva 1).

Kuva 1: Näiden valosähköisten anturien kosketusnäyttö voi nopeuttaa käyttöönottoa. (Kuvan lähde: SICK.)

Teach-in-ominaisuuden avulla suunnittelijat voivat mukauttaa nämä anturit tiettyjen käyttökohteiden vaatimuksiin. Integroitujen nopeusasetusten, vakio- ja tarkkuusmittaustilan sekä edustan ja taustan vaimennuksen kaltaisten toimintojen ansiosta samaa anturia voidaan käyttää monissa erilaisissa käyttökohteissa. Anturisarja sisältää neljä versiota, joilla on erilaiset toimintaetäisyydet ja asennustavat.

Taustan vaimennus

Taustan vaimennuksen (BGS) tarjoavissa valosähköisissä lähestymisantureissa käytetään lähetys- ja vastaanottoelementtien välistä triangulaatiota. Asetettua tunnistusetäisyyttä kauempana olevien objektien signaalit vaimennetaan. Lisäksi SICK BGS -teknologia jättää taustalla olevat erittäin heijastavat objektit huomiotta ja selviää hankalissakin ympäristön valaistusolosuhteissa.

Taustan vaimennus on erityisen hyödyllistä, kun tunnistettavalla objektilla ja taustalla (kuten kuljetinhihnalla) on samanlainen heijastavuus, tai jos taustan heijastavuus vaihtelee ja voi häiritä tunnistusta.

Edustan vaimennus

Edustan vaimennuksen (FGS) tarjoavat valosähköiset lähestymisanturit tunnistavat objekteja määritetyllä etäisyydellä. Kaikki anturin ja tunnistusetäisyyden (asetettu taustan etäisyydelle) välissä olevat objektit tunnistetaan. Luotettavan tunnistamisen varmistamiseksi taustan on oltava suhteellisen kirkas ja tasakorkuinen.

Kun objektit ovat valkoisen tai vaalean kuljetinhihnan kaltaisella heijastavalla pinnalla, etualan vaimennus voi parantaa tunnistamista. Sen sijaan, että anturi tunnistaisi objektista heijastuvan valon, se tunnistaa objektin siitä, ettei kuljetinhihna heijasta valoa.

Retroheijastava

Retroheijastavassa anturissa emittoitu valo osuu heijastimeen, ja anturi arvioi heijastuneen valon voimakkuuden. Virheet voidaan minimoida käyttämällä polarisoivia suodattimia. Kiristekalvot ja läpinäkyvät muovikääreet voivat häiritä näitä antureita. Anturin herkkyyden vähentäminen voi auttaa selviytymään näistä haasteista. Lisäksi tavallisten infrapunalähettimien korvaaminen lasereilla voi pidentää tunnistusaluetta ja parantaa resoluutiota.

Retroheijastavan anturin suorituskykyä voidaan parantaa normaalia alhaisemmalla kytkentähystereesillä. Näissä ratkaisuissa voidaan luotettavasti tunnistaa esimerkiksi lasipullojen aiheuttama hyvinkin pieni valon vaimentuminen anturin ja heijastimen välillä. SICK tarjoaa myös AutoAdapt-nimisen valvontajärjestelmän, joka jatkuvasti säätää ja muuttaa kytkentäkynnystä sen seurauksena, että tunnistusjärjestelmään kerääntyy epäpuhtauksia. Muutoin nämä saattaisivat johtaa sen vikaantumiseen.

Lähetin-vastaanotin

Retroheijastavien antureiden sijaan lähetin-vastaanotin-antureissa käytetään kahta aktiivista laitetta: lähetintä ja vastaanotinta. Lähettimen ja vastaanottimen käyttö tunnistamisessa mahdollistaa pidemmät tunnistusetäisyydet. Infrapunalähettimien korvaaminen laserdiodeilla voi edelleen parantaa tunnistusetäisyyttä säilyttäen samalla korkean resoluution ja tarkan tunnistamisen.

Kuituoptinen

Kuituoptiset anturit ovat muunnelma lähetin-vastaanotin-malleista. Kuituoptisessa valosähköisessä anturissa lähetin ja vastaanotin sijaitsevat samassa kotelossa. Lähetin ja vastaanotin käyttävät omia erillisiä kuituoptiikkakaapeleitaan. Nämä anturit soveltuvat erityisesti käyttökohteisiin, joissa lämpötila on korkea, sekä vaarallisiin ja haastaviin ympäristöihin.

Valosähköiset anturiryhmät

RAY26 Reflex Array -sarjan valosähköiset anturit, kuten 1221950, mahdollistavat litteiden objektien luotettavan tunnistamisen ja nopean käyttöönoton. Kun valosähköiset anturit yhdistetään heijastimeen, ne tunnistavat myös pienet, tasaiset, läpinäkyvät tai epätasaiset objektit, jotka voivat olla kooltaan jopa vain 3 mm. Anturi tunnistaa objektin etupinnan 55 mm korkean yhtenäisen valaisupinnan avulla. Tämä tarkoittaa, että jopa rei'itetyt objektit voidaan tunnistaa luotettavasti ilman monimutkaista kytkentää (kuva 4).

Kuva 2: Valosähköiset anturisarjat tunnistavat jopa 3 mm:n kokoiset objektit 55 mm korkeassa kentässä. (Kuvan lähde: SICK.)

Laseretäisyysanturit

Suunnittelijat voivat käyttää DT50-laseretäisyysantureita sellaisissa käyttökohteissa kuten säilytysastioiden tasonvalvonnassa, kuljettimilla olevien objektien tunnistuksessa, automatisoidun haarukkatrukkijärjestelmän akselin XY-sijainnin määrittämisessä, varastojen ja kattokuljettimien nosturien pystyasemoinnissa sekä läpimitan seuraamisessa käämimisen aikana. Nämä anturit tukevat kulkuaikamittauksia (ToF) jopa usean metrin etäisyyksille saakka. Ne käyttävät heijastuvaa laservaloa, mikä estää ympäristön valaistuksen aiheuttamat häiriöt sekä takaa tarkan ja luotettavan toiminnan.

Esimerkiksi DT50-2B215252 tukee etäisyyksiä 200 – 30 000 mm, ja siinä on useita erikoisominaisuuksia, kuten:

• vahvistettu kotelo IP65- ja IP67-luokituksella
• jopa 3 000 etäisyysmittausta sekunnissa
• vähimmäisvasteaika 0,83 ms
• kompakti kotelo, joka tukee erilaisia käyttökohteita teollisuusroboteista säilytysastioiden täyttöasteen mittaamiseen.

Korkean resoluution mittaukset tilastotieteen avulla

HDDM+ on korkean resoluution ToF-mittaustekniikka, jota voidaan käyttää laseretäisyysantureissa ja LiDAR-antureissa. Toisin kuin yhtä pulssia tai vaihekorrelaatiota käyttävät mittausteknologiat, HDDM+ on tilastollinen mittausprosessi.

Anturiohjelmisto arvioi tilastollisesti useiden laserpulssien heijastukset suodattaakseen pois lasiruutujen, sumun, sateen, pölyn, lumen, lehtien, aitojen ja muiden objektien aiheuttamat häiriöt, voidakseen laske etäisyyden aiottuun kohteeseen. Tuloksena saatavalla etäisyysmittauksella voi olla korkea varmuustaso haastavissakin ympäristöolosuhteissa (kuva 5).

Kuva 3: SICK HDDM+ -ohjelmisto poistaa tilastollisen arviointiprosessin avulla esimerkiksi lasiruutujen, sumun, sateen, pölyn, lumen, lehtien ja aitojen aiheuttaman ”kohinan”. (Kuvan lähde: SICK.)

Tyypillisiä HDDM+-teknologian käyttökohteita ovat mm. etäisyysmittaus elektroniikkatuotannon laadunvalvonnassa, moniulotteinen objektien LiDAR-tunnistus ja paikannus koneenrakennuksessa ja laitossuunnittelussa sekä teollisuusnostureiden ja -ajoneuvojen sijainnin määrittäminen.

HDDM+-anturien mittausetäisyys on jopa 1,5 km retroheijastavaa teippiä käytettäessä. Esimerkiksi mallissa DT1000-S11101 on jopa 460 metrin mittausetäisyys, ja sen tyypillinen mittaustarkkuus on ±15 mm luonnollisille objekteilla. Sen resoluutio on säädettävissä välillä 0,001–100 mm.

Induktiivinen

Induktiiviset lähestymisanturit, kuten SICK IME -sarja, voivat tunnistaa sekä rautaisia että ei-rautaisia metalliobjekteja. Nämä anturit käyttävät induktiokelasta ja kondensaattorista (LC) muodostuvaa resonanssipiiriä, joka luo korkeataajuisen vaihtuvan sähkömagneettisen kentän. Kenttä vaimentuu, kun metallinen objekti tulee tunnistusetäisyydelle. Vaimentuminen tunnistetaan signaalin evaluointipiirissä ja vahvistimessa, joka tuottaa lähtösignaalin (kuva 4).

Kuva 4: Induktiivinen lähestymisanturi käyttää LC-piiriä, joka tuottaa vaihtelevan kentän, signaalin evaluointipiiriä ja vahvistinta. (Kuvan lähde: SICK.)

Erilaisten lähestymisanturiteknologioiden kaksi tärkeää ominaisuutta tunnistusetäisyydelle ovat nimellinen tunnistusetäisyys (Sn) ja varmistettu tunnistusetäisyys (Sa). Sn ei ota huomioon valmistustoleranssia eikä käyttölämpötilan kaltaisia ulkoisia tekijöitä. Sa ottaa huomioon sekä valmistustoleranssit että toimintaolosuhteiden vaihtelut. Sa on tyypillisesti noin 81 % Sn-arvosta. Esimerkiksi induktiivisen IME08-02BPSZT0S-anturin Sn on 2 mm ja Sa 1,62 mm.

Kapasitiivinen tunnistaminen

Kapasitiiviset lähestymisanturit käyttävät oskillaattoria induktiivisten antureiden tavoin. Tässä tapauksessa käytetään avointa kondensaattoria, jossa anturin aktiivinen elektrodi tuottaa staattisen sähkökentän suhteessa maahan. Nämä anturit tunnistavat monenlaisia materiaaleja, kuten metallisia ja ei-metallisia objekteja.

Kun objekti saapuu staattiseen sähkökenttään, resonanssipiirin oskillaatioamplitudi muuttuu materiaalin dielektristen ominaisuuksien mukaan. Signaalin evaluoija tunnistaa muutoksen, ja vahvistin tuottaa lähtösignaalin (kuva 5).

Kuva 5: Kapasitiivisessa lähestymisanturissa oskillaatiopiiri tuottaa staattisen sähkökentän, jonka ominaisuudet muuttuvat tunnistettavan kohteen tullessa kenttään. (Kuvan lähde: SICK.)

Induktiivisten lähestymisantureiden tavoin kapasitiivisten lähestymisantureiden tunnistusetäisyyteen liittyy useita tekijöitä, mukaan lukien Sn, Sa ja vähennyskerroin. Esimerkiksi mallissa CM12-08EBP-KC1 Sn on 8 mm ja nimellinen Sa 5,76 mm.

Tunnistettavan objektin on oltava vähintään yhtä suuri kuin anturin pinta, ja tunnistusetäisyys vaihtelee materiaalin vähennyskertoimen mukaan. Vähennyskertoimet liittyvät materiaalin dielektriseen vakioon, ja ne voivat vaihdella metallien ja veden arvosta 1 polyvinyylikloridin (PVC) arvoon 0,4, lasin arvoon 0,6 ja keramiikan arvoon 0,5.

Magneettinen

Magneettiset lähestymisanturit reagoivat magneetin läheisyyteen. SICK -yrityksen magneettiset lähestymisanturit käyttävät kahta mittaustekniikkaa:

• GMR-anturit perustuvat vastuksiin, joiden resistanssi muuttuu magneettikentässä. Wheatstonen siltaa käytetään resistanssimuutoksen tunnistamiseen ja lähtösignaalin tuottamiseen. MZT7-sylinterianturit, kuten T-urasylinterien kanssa käytettäväksi suunniteltu MZT7-03VPS-KP0, käyttävät GMR-tekniikkaa männän asennon tunnistamiseen paineilmakäytöissä ja muissa vastaavissa käyttökohteissa.
• LC-teknologiassa käytetään resonanssipiiriä, joka resonoi pienellä amplitudilla. Jos sitä lähestyy ulkoinen magneettikenttä, resonanssiamplitudi kasvaa. Signaalin evaluoija tunnistaa kasvun, ja vahvistin tuottaa lähtösignaalin (kuva 6). MM08-60APO-ZUA-anturin Sn on 60 mm ja Sa 48,6 mm.

Kuva 6: Magneettisen lähestymisanturin kenttäanturi voi käyttää GMR- tai LC-teknologiaa. (Kuvan lähde: SICK.)

Ultraäänianturit

Suunnittelijat voivat käyttää SICK UM30 -tuoteperheen kaltaisia ultraääniantureita tunnistamaan enintään 8 m etäisyydellä olevia objekteja. Nämä anturit tarjoavat sisäänrakennetun lämpötilan korjauksen, joka parantaa mittaustarkkuutta ja mahdollistaa objektien tunnistamisen väristä riippumatta. Ne kestävät pölyä ja niitä voidaan käyttää jopa +70 °C:n lämpötilassa. Ne mittaavat etäisyyden käyttäen kulkuaikateknologiaa, missä etäisyys on äänen nopeus kerrottuna lennon akustisella kokonaisajalla (t₂) ja jaettuna luvulla 2 (kuva 6).

Kuva 7: Ultraäänianturit voivat mitata etäisyyden ääniaaltojen kokonaiskulkuajan (t₂) perusteella. (Kuvan lähde: SICK.)

Mallin UM30-212111 kaltaiset ultraäänianturit soveltuvat esimerkiksi tyhjien säiliöiden valvontaan. Sisäinen lämpötilan seuranta mahdollistaa mittaustarkkuuden ±1 %. Nämä väristä riippumattomat anturit tunnistavat vaikeasti erotettavat objektit myös likaisissa ja pölyisissä olosuhteissa.

Yhteenveto

Hyvä uutinen on se, että lähestymis- ja etäisyysanturiteknologiavaihtoehtoja on useita. Tämä tarkoittaa, että jokaiseen käyttökohteen vaatimukseen löytyy ratkaisu. Haasteena on käydä läpi nämä useat vaihtoehdot ja löytää optimaalinen ratkaisu haluttujen materiaalien tunnistamiseen todellisissa käyttöolosuhteissa.