การเลือกเซ็นเซอร์จากตัวเลือกเทคโนโลยีเซ็นเซอร์ตรวจจับวัตถุและวัดระยะทาง

การใช้เซ็นเซอร์ตรวจจับวัตถุและวัดระยะทางเพื่อตรวจจับและตำแหน่งของวัตถุโดยไม่ต้องมีการสัมผัสทางกายภาพอาจเป็นประเด็นสำคัญในการควบคุมกระบวนการทางอุตสาหกรรม เช่น การจัดการวัสดุ เครื่องจักรกลทางการเกษตร การผลิตและประกอบ และการบรรจุอาหาร เครื่องดื่ม และยา

เซ็นเซอร์เหล่านี้สามารถใช้เทคโนโลยีต่าง ๆ เช่น โฟโตอิเล็กทริก เลเซอร์ เหนี่ยวนำ ความจุ แม่เหล็ก และอัลตราโซนิก เมื่อพิจารณาเลือกสิ่งที่ดีที่สุดสำหรับการใช้งานที่กำหนด จะต้องพิจารณาปัจจัย เช่น ระยะ ขนาด ความแม่นยำ ความไว ความละเอียด และต้นทุน

ปัจจัยสำคัญในการใช้งานต่าง ๆ มากมายคือวัสดุของวัตถุที่ต้องการตรวจจับ เซ็นเซอร์บางตัวทำงานแตกต่างกันเมื่อใช้งานกับพื้นผิวแข็งและพื้นผิวเส้นใย และเซ็นเซอร์อื่นๆ อาจได้รับผลจากสีหรือการสะท้อนแสงของวัตถุ

บทความนี้จะกล่าวถึงเทคโนโลยีเซ็นเซอร์ตรวจจับวัตถุแบบไม่สัมผัสที่มีจำหน่ายทั่วไป โดยจะพิจารณาถึงวิธีการทำงาน คุณลักษณะการทำงานพื้นฐาน และเซ็นเซอร์ตัวอย่างจาก SICK พร้อมกับการใช้งานบางอย่าง

เซ็นเซอร์โฟโตอิเล็กทริค

เซ็นเซอร์โฟโตอิเล็กทริก เช่น เซ็นเซอร์ตรวจจับวัตถุแบบโฟโตอิเล็กทริก W10 จาก SICK มีการใช้งานและติดตั้งง่าย และมีคุณสมบัติต่างๆ ให้เลือกเหมาะกับการใช้งานต่างๆ มากมาย การออกแบบที่แข็งแกร่งของเซ็นเซอร์ W10 ช่วยให้เหมาะสำหรับการตรวจจับวัตถุที่แม่นยำในสภาพแวดล้อมที่ท้าทาย การตั้งค่าพารามิเตอร์ความเร็วหน้าจอสัมผัสแบบรวมและการใช้งานเซ็นเซอร์ (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: หน้าจอสัมผัสบนเซ็นเซอร์โฟโตอิเล็กทริกเหล่านี้สามารถอำนวยความสะดวกในการทดสอบและการใช้งานได้ (แหล่งที่มาภาพ : SICK)

มีการสอนใช้งานที่ช่วยให้นักออกแบบสามารถปรับเซ็นเซอร์เหล่านี้ให้เหมาะกับข้อกำหนดการใช้งานที่เฉพาะเจาะจงได้ นอกจากนี้ ฟังก์ชันที่ผสานรวม เช่น การตั้งค่าความเร็ว โหมดการวัดมาตรฐานและความแม่นยำ การตรวจวัดแบบละเลยด้านหน้าและละเลยด้านหลัง ที่สามารถใช้เซ็นเซอร์ตัวเดียวกับการใช้งานต่างๆ ได้ ซีรีส์เซ็นเซอร์มี 4 รุ่น ซึ่งแตกต่างกันในเรื่องระยะการทำงานและตัวเลือกในการติดตั้ง

Background suppression

เซ็นเซอร์ตรวจจับวัตถุด้วยโฟโตอิเล็กทริกแบบ Background suppression (BGS) ใช้การตรวจวัดแบบสามเหลี่ยมระหว่างองค์ประกอบการส่งและการรับ โดยสัญญาณจากวัตถุที่อยู่หลังระยะการตรวจจับที่กำหนดจะไม่สามารถวัดได้ นอกจากนี้ เทคโนโลยี BGS ของ SICK ยังไม่สนใจวัตถุพื้นหลังที่มีการสะท้อนแสงสูงและสามารถรับมือกับสภาพแสงโดยรอบที่ยากลำบากได้

การละเลยด้านหลังเป็นประโยชน์อย่างยิ่งเมื่อวัตถุเป้าหมายและพื้นหลัง (เช่น สายพานลำเลียง) มีค่าการสะท้อนแสงใกล้เคียงกันหรือหากค่าการสะท้อนแสงของพื้นหลังแปรผันได้และอาจทำให้เกิดการรบกวนต่อการตรวจจับได้

Foreground suppression

เซ็นเซอร์ตรวจจับวัตถุด้วยโฟโตอิเล็กทริกแบบ Foreground suppression (FGS) สามารถตรวจจับวัตถุที่ระยะห่างที่กำหนดได้ โดยจะตรวจจับวัตถุทั้งหมดระหว่างเซ็นเซอร์และระยะการตรวจจับ (ที่ด้านหลัง) เพื่อให้มั่นใจถึงการรับรู้ที่เชื่อถือได้ วัตถุด้านหลังจะต้องมีความสว่างพอสมควรและไม่ควรมีการเปลี่ยนแปลงด้านความสูง

เมื่อวัตถุอยู่บนพื้นผิวสะท้อนแสง เช่น สายพานลำเลียงสีขาวหรือสีอ่อน การละเลยด้านหน้าสามารถปรับปรุงการตรวจจับได้ เซ็นเซอร์จะตรวจจับวัตถุโดยพิจารณาว่าไม่มีแสงที่สะท้อนจากสายพานลำเลียง แทนที่จะตรวจจับแสงสะท้อนจากวัตถุ

Retro-reflective

เซ็นเซอร์ Retro-reflective ปล่อยแสงออกมากระทบกับตัวสะท้อนแสง และแสงที่สะท้อนนั้นจะตรวจวัดโดยเซ็นเซอร์ สามารถลดข้อผิดพลาดลงได้ด้วยการใช้ฟิลเตอร์โพลาไรซ์ ฟิล์มยืดและพลาสติกห่อที่โปร่งใสอาจรบกวนเซ็นเซอร์เหล่านี้ได้ ซึ่งการลดความไวของเซ็นเซอร์สามารถช่วยเอาชนะความท้าทายเหล่านั้นได้ นอกจากนี้การเปลี่ยนตัวปล่อยแสง IR มาตรฐานด้วยเลเซอร์ยังช่วยให้มีระยะการตรวจจับที่ไกลขึ้นและมีความละเอียดสูงขึ้นอีกด้วย

ประสิทธิภาพของเซ็นเซอร์ Retro-reflective สามารถปรับปรุงได้โดยใช้ฮิสเทรีซิสการสวิตช์ที่ต่ำกว่าปกติ ซึ่งในการออกแบบเหล่านี้ แม้แต่การลดทอนแสงเพียงเล็กน้อยระหว่างเซ็นเซอร์และตัวสะท้อนแสง เช่น ที่เกิดจากขวดแก้ว ก็สามารถตรวจจับได้อย่างน่าเชื่อถือ โดย SICK ยังนำเสนอระบบตรวจสอบที่เรียกว่า AutoAdapt ซึ่งควบคุมและปรับเปลี่ยนเกณฑ์การสวิตช์อย่างต่อเนื่องเพื่อตอบสนองต่อการปนเปื้อนที่ค่อยๆ เพิ่มขึ้นซึ่งอาจนำไปสู่ความล้มเหลวของระบบการตรวจจับได้

Through-beam

เซ็นเซอร์ Retro-reflective จะแตกต่างจากเซ็นเซอร์ Through-beam จะใช้อุปกรณ์แบบแอคทีฟ 2 ตัว ได้แก่ ตัวส่งและตัวรับ การตรวจจับแบบ Through-beam ช่วยให้มีระยะการตรวจจับที่ไกลขึ้น โดยการเปลี่ยนตัวส่ง IR ด้วยไดโอดเลเซอร์สามารถปรับปรุงระยะการตรวจจับได้ดีขึ้น พร้อมทั้งยังคงความละเอียดสูงและการตรวจจับที่แม่นยำ

ไฟเบอร์ออปติก

เซ็นเซอร์ไฟเบอร์ออปติกเป็นรูปแบบหนึ่งของการออกแบบแบบ Through-beam ในเซ็นเซอร์โฟโตอิเล็กทริกแบบไฟเบอร์ออปติก ตัวส่งและตัวรับจะอยู่รวมกันอยู่ในตัวเรือนเดียว สายไฟเบอร์ออปติกแยกกันใช้โดยผู้ส่งและผู้รับ เซ็นเซอร์เหล่านี้เหมาะเป็นพิเศษสำหรับใช้ในงานที่มีอุณหภูมิสูงและในสภาพแวดล้อมอันตรายและรุนแรง

อาร์เรย์เซ็นเซอร์โฟโตอิเล็กทริก

เซ็นเซอร์โฟโตอิเล็กทริกตระกูล RAY26 Reflex Array เช่นเดียวกับรุ่น 1221950 ช่วยให้สามารถตรวจจับวัตถุแบนได้อย่างน่าเชื่อถือ รวมทั้งเริ่มการใช้งานได้รวดเร็ว เมื่อใช้ร่วมกับตัวสะท้อนแสง เซ็นเซอร์โฟโตอิเล็กทริกยังสามารถตรวจจับวัตถุขนาดเล็ก แบน โปร่งใส หรือไม่เรียบที่มีขนาดเล็กถึง 3 มม. ได้อีกด้วย ภายในชุดแสงสม่ำเสมอสูง 55 มม. เซ็นเซอร์จะตรวจจับขอบหน้าของวัตถุ ซึ่งหมายความว่าแม้กระทั่งวัตถุที่มีรูพรุนก็สามารถตรวจจับได้อย่างน่าเชื่อถือโดยไม่ต้องสลับซับซ้อน (รูปที่ 4)

รูปที่ 2: อาร์เรย์เซ็นเซอร์โฟโตอิเล็กทริกสามารถตรวจจับวัตถุที่มีขนาดเล็กถึง 3 มม. ในสนามความสูง 55 มม. (แหล่งที่มาภาพ : SICK)

เซ็นเซอร์วัดระยะด้วยเลเซอร์

นักออกแบบการใช้งานต่างๆ เช่น การตรวจสอบระดับในตู้เก็บของ การตรวจจับตำแหน่งของวัตถุบนสายพานลำเลียง โดยตำแหน่ง XY ของแกนในระบบรถยกอัตโนมัติ การวางตำแหน่งแนวตั้งของเครนในคลังสินค้าและสายพานลำเลียงเหนือศีรษะ และการตรวจสอบเส้นผ่านศูนย์กลางระหว่างการพันขดลวด สามารถหันมาใช้ เซ็นเซอร์วัดระยะด้วยเลเซอร์ DT50 ซึ่งเซ็นเซอร์เหล่านี้รองรับการวัดระยะทางจากเวลาการรับส่งสัญญาณ (ToF) ได้ถึงหลายเมตรโดยใช้แสงเลเซอร์ที่สะท้อนเพื่อให้ทนทานต่อแสงโดยรอบ และการทำงานที่แม่นยำและเชื่อถือได้

ตัวอย่างเช่น DT50-2B215252 มีระยะตั้งแต่ 200 ถึง 30,000 มม. และมีคุณสมบัติพิเศษหลายประการ เช่น:

• ตัวเรือนแข็งแรงทนทานด้วยระดับการป้องกัน IP65 และ IP67
• สามารถวัดระยะทางได้สูงสุด 3,000 ครั้งต่อวินาที
• เวลาตอบสนองขั้นต่ำ 0.83 มิลลิวินาที
• โครงแบบกะทัดรัดรองรับการใช้งานหลากหลายตั้งแต่หุ่นยนต์อุตสาหกรรมไปจนถึงการวัดความสูงของภาชนะบรรจุ

การวัดความละเอียดสูงโดยใช้สถิติ

การวัดระยะทางความละเอียดสูงพิเศษ (HDDM+) เป็นเทคโนโลยีการวัด ToF ความละเอียดสูงที่สามารถใช้ในเซ็นเซอร์วัดระยะทางและการตรวจจับแสงเลเซอร์และการวัดระยะ (LiDAR) โดยเทคโนโลยี HDDM+ แตกต่างจากเทคโนโลยีการตรวจจับแบบพัลส์เดี่ยวหรือการเชื่อมโยงเฟส โดยเป็นกระบวนการวัดทางสถิติ

ซอฟต์แวร์เซ็นเซอร์จะประเมินทางสถิติเสียงสะท้อนจากพัลส์เลเซอร์หลายพัลส์เพื่อกรองสัญญาณรบกวนจากแหล่งต่าง ๆ เช่น กระจก หมอก ฝน ฝุ่น หิมะ ใบไม้ รั้ว และวัตถุอื่นๆ เพื่อคำนวณระยะทางไปยังเป้าหมายที่ต้องการ การวัดระยะทางที่ได้จะมีระดับความแน่นอนสูงแม้ภายใต้สภาวะแวดล้อมที่ท้าทาย (รูปที่ 5)

รูปที่ 3: ซอฟต์แวร์ HDDM+ ของ SICK ใช้กระบวนการประเมินทางสถิติเพื่อกำจัด "สัญญาณรบกวน" จากสิ่งของต่างๆ เช่น กระจก หมอก ฝน ฝุ่น หิมะ ใบไม้ และรั้ว (แหล่งที่มาภาพ : SICK)

การใช้งานทั่วไปของเทคโนโลยี HDDM+ ได้แก่ การวัดระยะทางเพื่อการควบคุมคุณภาพในการผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ การตรวจจับวัตถุหลายมิติด้วย LiDAR และการกำหนดตำแหน่งในวิศวกรรมเครื่องกลและโรงงาน และการกำหนดตำแหน่งของเครนหรือยานพาหนะในอุตสาหกรรม

ระยะการตรวจจับของเซ็นเซอร์ HDDM+ อยู่ที่สูงสุด 1.5 กม. บนแถบสะท้อนแสง เช่น รุ่น DT1000-S11101 มีระยะสูงสุดถึง 460 ม. โดยมีความแม่นยำในการวัดทั่วไปที่ ±15 มม. สำหรับวัตถุทั่วไป และความละเอียดที่ปรับได้ตั้งแต่ 0.001 ถึง 100 มม.

เหนี่ยวนำ

เซ็นเซอร์ตรวจจับวัตถุแบบเหนี่ยวนำ เช่น ซีรีย์ IME จาก SICK สามารถตรวจจับวัตถุที่เป็นโลหะทั้งเหล็กและไม่ใช่เหล็กได้ เซ็นเซอร์เหล่านี้ประกอบด้วยวงจรเรโซแนนซ์ตัวเหนี่ยวนำ-ตัวเก็บประจุ (LC) ที่สร้างสนามแม่เหล็กไฟฟ้าสลับความถี่สูง โดยสนามจะถูกลดทอนเมื่อมีวัตถุโลหะเข้ามาในระยะการตรวจจับ การลดทอนจะถูกตรวจจับโดยวงจรประเมินสัญญาณและแอมพลิฟายเออร์ที่สร้างสัญญาณเอาต์พุต (รูปที่ 4)

รูปที่ 4: เซ็นเซอร์ตรวจจับวัตถุแบบเหนี่ยวนำพื้นฐานประกอบด้วยวงจร LC ที่สร้างสนามไฟฟ้าสลับ ตัวประเมินสัญญาณ และแอมพลิฟายเออร์ (แหล่งที่มาภาพ : SICK)

ข้อกำหนดที่สำคัญสองประการสำหรับระยะการตรวจจับของเทคโนโลยีเซ็นเซอร์ตรวจจับวัตถุหลายชนิด ได้แก่ ระยะการตรวจจับที่กำหนด (Sn) และระยะการตรวจจับที่ปลอดภัย (Sa) โดย SN ไม่คำนึงถึงความคลาดเคลื่อนในการผลิตหรืออิทธิพลภายนอก เช่น อุณหภูมิในการทำงาน Sa คำนึงถึงทั้งความคลาดเคลื่อนของการผลิตและการเปลี่ยนแปลงของเงื่อนไขการทำงาน โดยทั่วไป Sa จะมีค่าประมาณ 81% ของค่า Sn เช่น เซ็นเซอร์เหนี่ยวนำรุ่น IME08-02BPSZT0S มี Sn คือ 2 มม. และ Sa คือ 1.62 มม.

การตรวจจับแบบเก็บประจุไฟฟ้า

เช่นเดียวกับเซ็นเซอร์แบบเหนี่ยวนำ เซ็นเซอร์ตรวจจับวัตถุแบบเก็บประจุจะใช้ตัวออสซิลเลเตอร์ ในกรณีนี้ จะใช้ตัวเก็บประจุแบบเปิด ซึ่งอิเล็กโทรดที่ใช้งานอยู่ในเซ็นเซอร์จะสร้างสนามไฟฟ้าสถิตเมื่อเทียบกับกราวด์ เซ็นเซอร์เหล่านี้สามารถตรวจจับการมีอยู่ของวัสดุได้หลากหลายชนิด รวมถึงวัตถุที่เป็นโลหะและไม่ใช่โลหะ

เมื่อวัตถุเข้าสู่สนามไฟฟ้าสถิต แอมพลิจูดของการแกว่งในวงจรเรโซแนนซ์จะเปลี่ยนแปลงตามคุณสมบัติทางไฟฟ้าของวัสดุ ตัวประเมินสัญญาณตรวจจับการเปลี่ยนแปลง และแอมพลิฟายเออร์จะสร้างสัญญาณเอาต์พุต (รูปที่ 5)

รูปที่ 5: ในเซ็นเซอร์ตรวจจับวัตถุแบบเก็บประจุ วงจรสร้างสัญญาณจะสร้างสนามไฟฟ้าสถิตย์ที่เปลี่ยนลักษณะเมื่อเป้าหมายเข้าสู่สนาม (แหล่งที่มาภาพ : SICK)

มีข้อกำหนดหลายประการที่เกี่ยวข้องกับระยะการตรวจจับของเซ็นเซอร์ตรวจจับวัตถุแบบเก็บประจุ รวมถึง Sn, Sa และปัจจัยการลด เช่นเดียวกับเซ็นเซอร์ตรวจจับระยะแบบเหนี่ยวนำ เช่น รุ่น CM12-08EBP-KC1 มี Sn ขนาด 8 มม. และ Sa ขนาด 5.76 มม.

วัตถุที่จะตรวจจับต้องมีขนาดใหญ่อย่างน้อยเท่ากับหน้าเซ็นเซอร์ และระยะการตรวจจับจะเปลี่ยนแปลงไปตามปัจจัยการลดขนาดของวัสดุ ปัจจัยการลดมีความสัมพันธ์กับค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของวัสดุและอาจแตกต่างกันได้ตั้งแต่ 1 สำหรับโลหะและน้ำ 0.4 สำหรับโพลีไวนิลคลอไรด์ (PVC) 0.6 สำหรับแก้ว และ 0.5 สำหรับเซรามิก

แม่เหล็ก

เซ็นเซอร์ตรวจจับวัตถุแบบแม่เหล็กตอบสนองต่อการมีอยู่ของแม่เหล็ก เซ็นเซอร์ตรวจจับวัตถุแบบแม่เหล็กจาก SICK ใช้เทคโนโลยีการตรวจจับสองแบบ:

• เซ็นเซอร์ตรวจจับแม่เหล็กขนาดยักษ์ (GMR) ใช้ตัวต้านทานที่เปลี่ยนค่าเมื่อมีสนามแม่เหล็ก โดยวีตสโตนบริดจ์ใช้เพื่อตรวจจับการเปลี่ยนแปลงของความต้านทานและสร้างสัญญาณเอาต์พุต เซ็นเซอร์กระบอกสูบ MZT7 เช่น MZT7-03VPS-KP0 ออกแบบมาเพื่อใช้กับกระบอกสูบแบบ T-slot ใช้เทคโนโลยี GMR เพื่อตรวจจับตำแหน่งลูกสูบในไดรฟ์ลมและในการใช้งานที่คล้ายคลึงกัน
• เทคโนโลยี LC ใช้วงจรเรโซแนนซ์ที่มีแอมพลิจูดขนาดเล็ก หากมีสนามแม่เหล็กภายนอกเข้ามาใกล้ แอมพลิจูดเรโซแนนซ์จะเพิ่มขึ้น การเพิ่มขึ้นจะถูกตรวจพบโดยตัวประเมินสัญญาณและแอมพลิฟายเออร์จะสร้างสัญญาณเอาต์พุต (รูปที่ 6) MM08-60APO-ZUA มี Sn ขนาด 60 มม. และ Sa ขนาด 48.6 มม.

รูปที่ 6: ในเซ็นเซอร์ตรวจจับวัตถุแบบแม่เหล็ก โพรบสนามแม่เหล็กสามารถใช้เทคโนโลยี GMR หรือ LC ได้ (แหล่งที่มาภาพ : SICK)

เซ็นเซอร์อัลตราโซนิก

สำหรับวัตถุที่อยู่ห่างออกไปไม่เกิน 8 เมตร นักออกแบบสามารถหันมาใช้เซ็นเซอร์อัลตราโซนิก เช่น กลุ่ม UM30 จาก SICK เซ็นเซอร์เหล่านี้มีการชดเชยอุณหภูมิแบบบูรณาการเพื่อปรับปรุงความแม่นยำในการวัดและให้การตรวจจับวัตถุที่ไม่ขึ้นอยู่กับสี ภูมิคุ้มกันต่อฝุ่นละออง และทำงานได้ถึง +70°C พวกมันวัดระยะทางโดยอาศัยเทคโนโลยี Time-of-Flight ซึ่งระยะทางจะเท่ากับความเร็วของเสียงคูณด้วยเวลาการรับส่งสัญญาณ (t₂) โดยนำผลรวมหารด้วย 2 (รูปที่ 6)

รูปที่ 7: เซ็นเซอร์อัลตราโซนิกสามารถวัดระยะทางโดยอิงจากเวลารับส่งสัญญาณรวม (t₂) ของคลื่นเสียง (แหล่งที่มาภาพ : SICK)

เซ็นเซอร์อัลตราโซนิกรุ่น UM30-212111 เหมาะสำหรับการใช้งาน เช่น การตรวจสอบถังเปล่า ตัวตรวจสอบอุณหภูมิภายในให้ความแม่นยำในการวัด ±1% โดยเซ็นเซอร์ที่ไม่ขึ้นอยู่กับสีเหล่านี้สามารถตรวจจับวัตถุที่แยกแยะได้ยากแม้จะมีสิ่งสกปรกและฝุ่นละอองก็ตาม

สรุป

ข่าวดีก็คือมีเทคโนโลยีเซ็นเซอร์ตรวจจับวัตถุและวัดระยะทางให้เลือกมากมาย นั่นหมายความว่ามีโซลูชั่นสำหรับทุกความต้องการ ความท้าทายคือการคัดแยกตัวเลือกที่มีมากมายและค้นหาโซลูชันที่ดีที่สุดสำหรับการตรวจจับวัสดุเฉพาะภายใต้การใช้งานจริงและสภาวะการทำงาน