سنسور نوری چیست؟

سنسور نوری یا Photoelectric Sensor از انوع سنسور ها ی بدون تماس بوده و به پرتوی نور حساس است. این سنسور از یک منبع ارسال کننده‌ی نور یا Emitter و یک گیرنده یا Receiver تشکیل شده است. اساس کار سنسور های نوری بر مبنای کیفیت و فاصله‌ی زمانی دریافت نور تابیده شده از منبع بوده و در مدل‌های دیجیتال و آنالوگ تولید می‌شوند. در تصویر زیر یک نمونه سنسور نوری آنالوگ را مشاهده می کنید.

کاربرد سنسور نوری

با توجه به پیشرفت دانش اپتیک و خواص محتلف نور، سنسور نوری یکی از پرکاربرد ترین سنسور هاست. این سنسور ها گونه ایی از ابزار های تشخیص موقعیت هستند. سنسور های نوری با استفاده از پرتو نور بازتاب یا شکسته شده موقعیت و حضور یک جسم را تشخیص می‌دهند. برخی از کاربرد های این سنسور عبارت اند از:

• تشخیص جابه جایی اجسام
• شمارش
• تشخیص رنگ
• صحت قرار گیری اجسام در بسته بندی یا مونتاژ
• اندازه گیری فاصله
• کنترل سطح در مخازن
• کنترل درب ها
• سیستم های حفاظتی و غیره

انواع سنسور نوری

سنسور های نوری در مدل های بسیار متنوعی ساخته می‌شوند. در تصویر زیر برخی از آن ها را مشاهده می‌کنید. حروف a تا f در این تصویر به ترتیب عبارت اند از:

a) فرستنده و گیرنده‌ی جداگانه

b) فرستنده و گیرنده‌ی واحد با دریافت انعکاس از منشور

c) دریافت انعکاس از اجسام

d) فیبر نوری

e) اسکنرهای سطح یا پرده‌ی نوری

f) تشخیص رنگ

هر یک از این سنسورها دارای خصوصیات منحصر به فرد بوده و باید متناسب با شرایط ماشین‌آلات، نوع کاربری، محل نصب و … انتخاب شوند. برای انتخاب سنسور نوری مناسب، علاوه بر پاسخ به سوال های مطرح شده در بخش‌های قبل، باید به کاتالوگ شرکت سازنده نیز مراجعه شود. در کاتالوگ‌ها اطلاعات مهمی در مورد نصب، تنظیم و سیم‌بندی سنسور های نوری درج شده و رعایت نکردن این موارد می‌تواند باعث عدم عملکرد صحیح سنسور شود.

نصب سنسور نوری

سنسورهای سه سیمه دارای یک خروجی به صورت نرمال باز یا نرمال بسته هستند. در صورتی که بخواهیم از یک سنسور به صورت مکمل یا با یک خروجی نرمال باز و یک خروجی نرمال بسته به صورت هم‌زمان استفاده کنیم، انتخاب ما باید از بین مدل‌های چهار سیمه‌ی الکترونیک یا پنج سیمه‌ی رله‌ای باشد. به عنوان مثال در تصویر زیر، دیاگرام یک سنسور نورانی به صورت انعکاسی از نوع جریان متناوب با یک پلاتین چنج آور را مشاهده می‌کنید.

در بسیاری از صنایع نمی‌توان از سنسورهای القایی و سنسورهای خازنی استفاده کرده و موقعیت اجسام، شکل ظاهری، جهت و … آن‌ها را کنترل کرد. انتخاب بعدی در این محیط‌ها استفاده از سنسورهای نوری در مدل‌های فیبر نوری، فرستنده و گیرنده‌ی جداگانه و انعکاسی می‌باشد. این سنسورها از نظر منبع تغذیه در مدل‌های جریان مستقیم، متناوب و یونیورسال در سطوح ولتاژی مختلف با خروجی‌های الکترونیک و رله‌ای ساخته می‌شوند.

به عنوان مثال در تصویر زیر و گزینه‌ی (a) استفاده از یک سنسور با فرستنده و گیرنده‌ی جداگانه در تشخیص موقعیت یک پرس را مشاهده می‌کنید. از آن‌جایی که این سنسور دارای دو قسمت الکتریکی می‌باشد، در دیاگرام‌ها نیز به صورت (b) فرستنده و (c) گیرنده نمایش داده می‌شود.

لازم به ذکر است که در سنسورهای جداگانه نور منتشر شده توسط فرستنده یا Emitter باید توسط گیرنده یا Reciver دریافت شود. قطع این نور به معنی وجود جسم در محدوده‌ی عملکرد سنسور است.

در صورتی که واحد فرستنده و گیرنده‌ی یک سنسور نوری از هم جدا باشند، حجم سیم‌بندی، زمان نصب، راه اندازی و … افزایش پیدا می‌کند. برای رفع این مشکلات می‌توان از سنسورهای نوری انعکاسی استفاده کرد. واحد فرستنده‌ و گیرنده‌ی نور در مدل‌های انعکاسی در یک قاب قرار داشته و این سنسور می‌تواند با دریافت انعکاس نور از اجسام یا رفلکتور کار کند. به عنوان مثال به تصویر زیر توجه کنید. در این نمونه از یک سنسور انعکاسی و بدون رفلکتور برای تشخیص پر یا خالی شدن رول کاغذ استفاده شده است.

در صورتی که فاصله‌، آلودگی، رنگ و … به نحوی باشد که سنسور توانایی دریافت انعکاس نور از اجسام را نداشته باشد می‌توان از مدل‌های رفلکتوری استفاده کرد. طبق تصویر زیر، در این مدل از یک منشور برای بازتاب نور در مقابل سنسور استفاده می‌شود.

نصب و سیم بندی، راه اندازی و تنظیم سنسورهای نوری باید با توجه به ساختمان، محل نصب، جسم مورد ردیابی و … انجام شود. این مراحل در مورد سنسورهای جداگانه و انعکاسی کمی متفاوت بوده که به بررسی آن‌ها می‌پردازیم.

مراحل راه‌اندازی سنسورهای جداگانه شامل نصب فیزیکی، نصب الکتریکی، تست دریافت نور، تنظیم حساسیت و انتخاب حالت کاری می‌شود. مهم‌ترین نکته در  نصب صحیح این سنسورها، قرار دادن فرستنده و گیرنده در مقابل یکدیگر است. این کار باید به نحوی انجام شود تا سیگنال نوری به درستی توسط گیرنده دریافت شود.

لوازم نصب فیزیکی سنسور معمولا توسط شرکت سازنده در بسته‌بندی آن قرار داده می‌شود. این تجهیزات به نحوی ساخته شده‌اند تا بتوان سنسور را با چند پیچ روی سطوح مختلف نصب کرده و موقعیت آن را کمی در جهات اصلی تغییر دارد. بعد از نصب فیزیکی باید منبع تغذیه‌ی سنسور را وصل کرده و از ارسال و دریافت صحیح سیگنال نوری اطمینان حاصل کرد. حین این کار هیچ جسمی نباید بین فرستنده و گیرنده قرار داشته باشد.

بعد از تنظیم موقعیت سنسور، باید جسم مورد ردیابی را بین فرستنده و گیرنده قرار داد. در این مرحله باید خروجی سنسور تغییر کرده و به صورت پایدار بماند. برای اطمینان از عملکرد صحیح سنسور این کار را چند بار تکرار کنید. توجه داشته باشید نوع سنسور باید بر اساس جنس و ابعاد جسم مورد ردیابی انتخاب شود. به عنوان مثال شناسایی اجسام شفاف و بسیار کوچک با هر سنسوری امکان پذیر نبوده و نیاز به مدل‌های فیبر نوری با دقت بالا دارد.

در سنسورهای نوری ممکن است چند کلید یا ولوم برای تنظیم حساسیت و تغییر حالت کاری نیز وجود داشته باشد. در تصویر زیر با تغییر ولوم SENS میزان حساسیت و با جابه‌جایی کلید MODE حالت کاری سنسور تغییر می‌کند.

حالت کاری سنسور بین دو گزینه‎ی تحریک در حالت روشن و خاموش قابل تغییر است. حالت روشن به معنی دریافت سیگنال نوری از فرستنده و حالت تاریک به معنی قطع آن می‌باشد.

در سنسورهای نوری رفلکتوری گیرنده‌ی جداگانه حذف شده و به جای آن از یک منشور با شکل‌های مختلف استفاده می‌شود. این منشور که در بسته‌بندی سنسور وجود دارد، باعث شکست نور ارسال شده توسط سنسور و دریافت مجدد آن می‌شود. طبق تصویر زیر، منشور باید دقیقا در مقابل سنسور نصب شود. برای این کار می‌توان از انواع پیچ یا چسب استفاده کرد.

بعد از نصب فیزیکی سنسور و منشور باید منبع تغذیه را روشن کرده و از ارسال و دریافت سیگنال مطمئن شد. در این مرحله هیچ جسمی نباید بین سنسور و رفلکتور وجود داشته باشد. در صورت عدم دریافت سیگنال باید فاصله و موقعیت سنسور یا رفلکتور تا دست‌یابی به بهترین نتیجه تغییر داده شود. قابل ذکر است که توسط ولوم SENS روی سنسور می‌توان میزان حساسیت و در نتیجه فاصله‌ی بین سنسور و رفلکتور را تغییر داد. حداکثر فاصله‌ی مجاز بین این دو قطعه با توجه به نوع سنسور متفاوت بوده و مقدار آن در دفترچه‌ی راهنما قید می‌شود.

در مرحله‌ی بعد باید جسم مورد ردیابی بین سنسور و رفلکتور قرار بگیرد. نکته‌ی مهم در این مرحله ابعاد، جنس، زاویه و فاصله‌ی قرارگیری جسم تا سنسور است. در صورتی که جسم بیش از حد کوچک یا بسیار صاف و صیقلی باشد، احتمال بروز خطا در عملکرد سنسور افزایش خواهد یافت. صیقلی بودن جسم باعث بازتاب نور سنسور شده و در کار آن اختلال ایجاد می‌کند. برای رفع این مشکلات می‌توان از سنسور با فیلتر پلاریزه استفاده کرده و یا با تغییر فاصله و زاویه‌ی جسم، بهترین نتیجه را گرفت. در صورتی که چند سنسور نوری در فاصله‌ی بسیار نزدیک نصب شده باشند، تغییر زاویه در جسم می تواند باعث اختلال در عملکرد سنسورهای دیگر شود.

سنسورهای انعکاسی و بدون رفلکتور از نظر فیزیکی و الکتریکی بسیار ساده نصب می‌شوند. طبق تصویر زیر، کافی ست این سنسور در فاصله و زاویه‎ی مناسب نسبت به جسم مورد نظر قرار گرفته و به درستی تنظیم شود. قرار دادن حساسیت این سنسور روی حداکثر اصلا توصیه نشده و باید آن را با توجه به جنس و رنگ قطعه، شرایط پشت قطعه، شرایط محیطی، آلودگی‌ها و … تنظیم کنیم.

طبق تصویر زیر  برای تنظیم حساسیت سنسور مراحل زیر پیشنهاد می‌شود:

• پس از نصب فیزیکی، قطعه‌ی هدف را مقابل سنسور قرار داده و تغذیه‌ی آن را وصل کنید.
• در صورتی که سنسور خروجی داد، ولوم تنظیمات را به سمت منفی بچرخانید تا حداقل حساسیت برای کار سنسور مشخص شود. موقعیت این نقطه روی ولوم با حرف a مشخص می‌شود.
• در مرحله‌ی بعد باید قطعه را از مقابل سنسور برداشته و ولوم تنظیمات را به سمت حداکثر چرخاند تا سنسور بدون جسم و با توجه به محیط اطراف خروجی بدهد. این نقطه روی ولوم با حرف b مشخص می‌شود.
• اگر چرخش ولوم تا انتهای مثبت انجام شده و سنسور خروجی نداد، نقطه‌ی حداکثر به عنوان b در نظر گرفته می‌شود.
• پس از به دست آوردن نقطه‌های a و b، برای دست‌یابی به بهترین نتیجه باید ولوم حساسیت را در نقطه‌ی میانی آن‌ها قرار داد.
• برای اطمینان از تنظیم صحیح، چند بار عملکرد سنسور را چک کنید.

در نظر داشته باشید عواملی مانند نور شدید خورشید، نور لامپ‌های فلورسنت، نور تابیده شده از سنسور یا رفلکتورهای دیگر و … می‌تواند در کار سنسورهای نوری اختلال ایجاد کند.