Dla wielu aplikacji z obszaru automatyki przemysłowej podstawą sprawnego funkcjonowania jest dokładny i bezbłędny pomiar różnych wielkości. Dlatego też tak ważną rolę w różnych procesach odgrywają dziś czujniki. Gdy wymagane są wyjątkowo duża precyzja pomiaru np. odległości albo wykrycie małych obiektów czy też ich specyficznych cech optymalnym rozwiązaniem mogą okazać się laserowe czujniki pomiarowe. Dodatkową ich zaletą są kompaktowe rozmiary oraz możliwość detekcji bardzo różnorodnej powierzchni – od czarnej gumy aż po lustrzane powierzchnie.
Czujniki, zwane także detektorem lub miernikiem, są istotnym elementem układu pomiarowego służącym do mierzenia wartości rzeczywistych i przesłania wyników pomiaru w celów ich dalszego przetwarzania i analizy. Tym samym czujniki stanowią swego rodzaju interfejs między procesem przetwarzania danych a światem zewnętrznym.
Jednocześnie czujniki są obecnie niezbędnym elementem zarówno cyfryzacji wszelkich procesów produkcyjnych, jak i ich modernizacji nie tylko zgodnie z koncepcją Przemysłu 4.0. Wynika to z realizowanej przez nie funkcji gromadzenia danych, która ma olbrzymie znaczenie w procesie przejścia od tradycyjnego wytwarzania do inteligentnej fabryki.
Czujniki optyczne popularne w aplikacjach przemysłowych
Do wykrywania obecności obiektów oraz ich cech coraz częściej stosowane są obecnie czujniki optyczne, zwane również fotoelektrycznymi. W zastosowaniach przemysłowych można znaleźć kilka typów tego rodzaju czujników. W przypadku najprostszych czujników odbiciowych nadajnik i odbiornik umieszczone są w jednej obudowie i analizują wiązkę pulsującego światła odbitego od obiektu. W czujnikach refleksyjnych również nadajnik i odbiornik znajdują się w jednej obudowie, natomiast światło odbijane jest od elementu odblaskowego. Kiedy wiązka światła zostanie przesłonięta, czujnik zadziała. Natomiast czujnik optyczny typu bariera składa się z osobnego nadajnika i odbiornika, usytuowanych po obu stronach przestrzeni kontrolowanej. Bariery wykrywają obiekty znajdujące się pomiędzy nadajnikiem i odbiornikiem.
Czujniki odbiciowe pracują zwykle ze słabszymi wiązkami światła, co w praktyce oznacza maksymalną odległość detekcji zaledwie do ok. 2 m. Najdłuższą strefę działania mają czujniki typu bariera. Dostępne na rynku czujniki optyczne mają zakres działania od 10 mm do nawet 100 m, a niektóre z nich posiadają płynną regulację za pomocą potencjometru. W dużej mierze zasięg zależy od materiału i koloru obiektu podlegającego detekcji.
Czujniki laserowe dla precyzyjnego i szybkiego pomiaru
Generalnie czujniki optyczne emitują wiązkę (szeroką lub wąską) światła widzialnego, podczerwieni lub laserową. Gdy wymagana jest bardzo duża precyzja i szybkość pomiaru, wówczas optymalnym rozwiązaniem stają się czujniki laserowe. Czujniki laserowe pozwalają na pomiar małych obiektów dzięki małemu rozmiarowi plamki. Są w stanie wykrywać obiekty o wielkości porównywalnej do ludzkiego włosa. Posiadają one szeroki zakres pomiarowy oraz duży dystans do mierzonego obiektu, przy zachowaniu wysokiej rozdzielczości.
Dzięki zastosowaniu technologii laserowej można uzyskiwać bardzo dobrą liniowość oraz wysoką częstotliwość pomiarową. Przy zastosowaniu optycznych czujników laserowych można wykonywać pomiar błyszczących, metalowych oraz chropowatych powierzchni, synchronizując kilka czujników. Co równie ważne, laserowe czujniki optyczne nie zakłócają się wzajemnie. Cecha ta pozwala na wykonywanie pomiarów przez różne czujniki laserowe na ograniczonej przestrzeni.
Czujniki laserowe – cechy charakterystyczne:
• bezbłędne wykrywanie nawet najmniejszych obiektów,
• proste i szybkie dopasowanie – łatwe osiowanie widocznym światłem czerwonym, łatwe nastawianie punktu przełączania przyciskiem,
• możliwa regulacja czułości,
• wysoka rozdzielczość pomiaru.
• małe odchylenia liniowe,
• szybki czas odpowiedzi,
• łatwy montaż,
• możliwość wykorzystania do zadań specjalnych.
Zasada działania: metoda triangulacji laserowej
Zasada działania laserowych czujników optycznych opiera się o tzw. metodę triangulacji laserowej, która wykorzystuje projekcję wiązki lasera. W każdym czujniku optycznym, a więc i laserowym, najważniejszymi elementami są nadajnik, czyli w tym przypadku źródło światła laserowego (punktowego lub w postaci linii), oraz odbiornik. Emitowana przez nadajnik wiązka lasera przechodzi przez układ optyczny i kierowana jest w stronę obiektu docelowego, który jest przedmiotem pomiaru. Następnie następuje odbicie wiązki laserowej od badanego obiektu i przechwycenie jej przez światłoczuły odbiornik (detektor CMOS lub CCD).
Znając odległość pomiędzy laserem i kamerą oraz kąt pomiędzy wiązką lasera a płaszczyzną obrazu kamery, można określić odległość skanowanego obiektu od obiektywu czujnika. Do dokładnego wyliczenia odległości wykorzystuje się wbudowany mikroprocesor oraz odpowiednio zaprogramowane algorytmy.
Technika triangulacji laserowej jest obecnie standardowym rozwiązaniem w bezkontaktowej technice pomiarowej za sprawą bardzo precyzyjnego pomiaru. Dlatego też tego typu czujniki można spotkać dziś w bardzo wielu aplikacjach przemysłowych praktycznie w każdej branży, w której wykonywane są pomiary, monitorowanie różnych procesów czy inne czynności kontrolne.
Czujniki laserowe – zastosowanie
Choć podstawowe zastosowanie czujników laserowych to pomiar odległości, wysokości i szerokości obiektów, to jednak w praktyce przemysłowej są one wykorzystywane w znacznie szerszym zakresie. Przykładem może być tu pomiar ugięcia detalu albo jego grubości.
Poza pomiarem odległości stosuje się je np. do wykrycia obecności obiektów (np. na linii produkcyjnej) albo do wykrycia ich specyficznych cech. Stąd też laserowe czujniki pomiarowe są świetnym narzędziem do kontroli jakości produktu, ale również do prawidłowego ułożenia elementu (np. w procesie obróbki).
Typowymi obszarami zastosowań dla czujników laserowych są także wszelkiego rodzaju procesy związane z testowaniem i kontrolą, monitorowaniem czy działania badawczo-rozwojowe.
Olbrzymią grupę potencjalnych zastosowań dla tego typu czujników znajdziemy także poza produkcją przemysłową. Świetnym przykładem jest tu wykorzystywany w nowoczesnych samochodach tzw. LiDAR. Takie przykłady można jednak mnożyć praktycznie bez końca i wydaje się, że przyszłość będzie należała do laserowych czujników pomiarowych. Wszędzie bowiem tam, gdzie wymagany jest bardzo precyzyjny i szybki pomiar, urządzenia te wydają się obecnie optymalnym rozwiązaniem.
Autor: Wojciech Traczyk
Źródło: https://www.elektrotechnikautomatyk.pl/