אפשרויות הבחירה בטכנולוגיות חיישני קרבה ומרחק

השימוש בחיישני קרבה ומרחק לגילוי נוכחותם ומיקומם של פריטים ללא מגע פיזי עשוי להיות היבט חשוב בבקרת תהליכים תעשייתיים כמו טיפול בחומרים, מכונות חקלאיות, פעולות ייצור והרכבה, ואריזת מזון, משקאות ותרופות.

חיישנים אלו זמינים באמצעות מגוון טכנולוגיות כולל פוטו-אלקטריות, לייזר, השראתיות, קיבוליות, מגנטיות ואולטראסוניות. בעת קביעת הבחירה הטובה ביותר עבור יישום נתון, יש להביא בחשבון גורמים כמו טווח, גודל, דיוק, רגישות, רזולוציה ועלות.

גורם מרכזי ביישומים רבים הוא החומר של האובייקט שיש לגלות. חיישנים מסוימים מתנהגים בצורה שונה מול משטחים קשים לעומת משטחים סיביים, וחיישנים אחרים יכולים להיות מושפעים מהצבע או מהרפלקטיביות של האובייקט.

מאמר זה סוקר טכנולוגיות זמינות נפוצות של חיישני קרבה ללא-מגע, תוך בחינת כיצד הם פועלים, מהם מאפייני הביצועים הבסיסיים שלהם וחיישנים לדוגמה של SICK, יחד עם כמה יישומים המיועדים להם.

חיישנים פוטו-אלקטריים

חיישנים פוטו-אלקטריים, כמו חיישני הקרבה הפוטואלקטריים W10 של SICK, פשוטים לשימוש ולהתקנה וזמינים במגוון מאפיינים המתאימים ליישומים רבים. התכן החסון של חיישני W10 הופך אותם למתאימים לגילוי מדויק של אובייקטים בסביבות מאתגרות. מסך המגע המשולב מזרז את הגדרת הפרמטרים ואת פרישת החיישנים (איור 1).

איור 1: מסך המגע בחיישנים פוטו-אלקטריים אלו יכול לזרז את ההפעלה הראשונית ואת הפרישה. (מקור התמונה: SICK)

קורסים מרוכזים זמינים מאפשרים למתכננים להתאים חיישנים אלה לדרישות של יישום ספציפי. בנוסף, פונקציות משולבות כמו הגדרות מהירות, מצבי מדידה סטנדרטית ומדויקת, וביטול חזית ורקע משמעותן שניתן להשתמש בחיישן יחיד בשורה של יישומים. סדרת החיישנים כוללת ארבע גרסאות, הנבדלות זו מזו במרחקי הפעולה ובאפשרויות ההרכבה שלהן.

ביטול רקע

חיישני קרבה פוטו-אלקטריים עם ביטול רקע (BGS‏) משתמשים בטריאנגולציה בין האלמנטים השולחים לאלמנטים הקולטים. אותות מאובייקטים שמאחורי תחום החישה שהוגדר מבוטלים. בנוסף, טכנולוגיית ביטול הרקע של SICK מתעלמת מאובייקטים מאוד רפלקטיביים ברקע ויכולה להתמודד עם תנאי תאורה סביבתית קשים.

ביטול הרקע שימושי במיוחד כאשר לאובייקט המטרה ולרקע (למשל מסוע) יש רפלקטיביות דומה, או אם רפלקטיביות הרקע משתנה ועלולה לגרום להפרעה לגילוי.

ביטול חזית

חיישני קירבה פוטואלקטריים עם ביטול חזית (FGS‏) יכולים לגלות אובייקטים במרחק מוגדר. כל העצמים שנמצאים בין החיישן למרחק החישה (המוגדר לרקע) מזוהים. כדי להבטיח חישה אמינה, הרקע צריך להיות בהיר יחסית ולא להשתנות בגובה.

כאשר חפצים נמצאים על משטח רפלקטיבי כמו מסוע לבן או בהיר, ביטול חזית יכול לשפר את הגילוי. במקום לגלות את האור המוחזר מהאובייקט, החיישן מגלה את האובייקט על ידי היעדר אור המוחזר על ידי המסוע.

רטרו-רפלקטיביות

בחיישן רטרו-רפלקטיבי, האור הנפלט פוגע במחזיר אור, והאור המוחזר נמדד על ידי החיישן. ניתן למזער שגיאות על ידי שימוש במסנני קיטוב. אריזות ניילון נצמד ופלסטיק שקופות עלולות להפריע לחיישנים אלו. הפחתת רגישות החיישנים יכולה לסייע בהתגברות על אתגרים אלו. בנוסף, החלפת פולטי אור אינפרה-אדום סטנדרטיים בלייזרים יכולה לאפשר תחומי חישה ארוכים יותר ורזולוציה גבוהה יותר.

ניתן לשפר את ביצועי החיישן הרטרו-רפלקטיבי באמצעות היסטרזיס מיתוג נמוך מהרגיל. בתכנים אלו, ניתן לגלות באופן אמין אפילו הנחתת אור מינימלית בין החיישן למחזיר האור, למשל כזו הנגרמת על ידי בקבוקי זכוכית. SICK מציעה גם מערכת ניטור בשם AutoAdapt המווסתת ומתאימה באופן רציף את סף המיתוג בתגובה להצטברות הדרגתית של זיהום שעלול להוביל לכשל במערכת החישה.

אלומה-עוברת

בניגוד לחיישנים רטרו-רפלקטיביים, חיישני אלומה-עוברת משתמשים בשני התקנים פעילים: שולח וקולט. חישת אלומה-עוברת מאפשרת תחומי חישה ארוכים יותר. החלפת פולטי אינפרה-אדום בדיודות לייזר יכולה לשפר עוד יותר את מרחק החישה תוך שמירה על רזולוציה גבוהה וחישה מדויקת.

סיבים אופטיים

חיישני סיבים אופטיים הם וריאציה של תכני אלומה-עוברת. בחיישן פוטו-אלקטרי בעל סיבים אופטיים, השולח והקולט ארוזים יחד במארז יחיד. כבלי סיבים אופטיים נפרדים משמשים את השולח ואת הקולט. חיישנים אלו מתאימים במיוחד לשימוש ביישומי טמפרטורות גבוהות ובסביבות מסוכנות וקשות.

מערכי חיישנים פוטו-אלקטריים

משפחת החיישנים הפוטו-אלקטריים RAY26 Reflex Array, כמו דגם 1221950, מאפשרת גילוי אובייקטים אמין של אובייקטים שטוחים, כמו גם הפעלה ראשונית מהירה. בשילוב עם מחזיר אור, החיישנים הפוטו-אלקטריים מגלים גם עצמים קטנים, שטוחים, שקופים או לא אחידים עד כדי גודל של 3 מ"מ. בתוך מערך אור אחיד בגובה 55 מ"מ, החיישנים מגלים את הקצה המוביל של האובייקט. משמעות הדבר היא שניתן לגלות באופן אמין אפילו אובייקטים מחוררים ללא מיתוג מורכב (איור 4).

איור 2: מערכי חיישנים פוטו-אלקטריים יכולים לגלות אובייקטים הקטנים עד כדי 3 מ"מ בשדה בגובה 55 מ"מ. (מקור התמונה: SICK)

חיישני לייזר למדידת מרחק

מתכנני יישומים כמו ניטור מפלס במכלי אחסון, גילוי מיקום של חפצים על מסועים, מיקום XY של הציר במערכות מלגזות אוטומטיות, מיקום אנכי של מנופים במחסנים ובמסועים עיליים, וניטור קטרים במהלך ליפוף סלילים יכולים להשתמש בחיישני הלייזר למדידת מרחק DT50. חיישנים אלו תומכים במדידות מרחק של זמן טיסה (ToF) של עד מספר מטרים באמצעות אור לייזר מוחזר כדי לספק חסינות לתאורת הסביבה, ופעולה מדויקת ואמינה.

לדוגמה, ל-DT50-2B215252 יש תחום חישה של 200 עד 30,000 מ"מ ומספר תכונות מיוחדות, הכוללות:

• בית עמיד עם דירוג מארז של IP65 ו-IP67
• יכול לספק עד 3,000 מדידות מרחק בשנייה
• זמן תגובה מינימלי של 0.83 מילי-שניות
• בית קומפקטי התומך במגוון יישומים, החל מרובוטים תעשייתיים ועד למדידת גובה המילוי של מכלי אחסון

מדידות ברזולוציה גבוהה באמצעות סטטיסטיקה

מדידת מרחק ברזולוציה גבוהה פלוס (HDDM+‎) היא טכנולוגיית מדידת ToF ברזולוציה גבוהה שניתן להשתמש בה בחיישני לייזר למדידת מרחק, חיישני גילוי אור וחיישני מכ"ם (LiDAR). בניגוד לטכנולוגיות חישת פולס יחיד או קורלציית פאזות, HDDM+‎ היא תהליך מדידה סטטיסטי.

תוכנת החיישן מעריכה סטטיסטית את ההדים של פולסי לייזר מרובים כדי לסנן הפרעות ממקורות כמו שמשות זכוכית, ערפל, גשם, אבק, שלג, עלים, גדרות ואובייקטים אחרים כדי לחשב את המרחק למטרה המיועדת. מדידת המרחק המתקבלת יכולה להיות ברמה גבוהה של ודאות אפילו בתנאי סביבה מאתגרים (איור 5).

איור 3: תוכנת +HDDM‏ של SICK משתמשת בתהליך הערכה סטטיסטי כדי לבטל "רעש" מפריטים כגון שמשות זכוכית, ערפל, גשם, אבק, שלג, עלים וגדרות. (מקור התמונה: SICK)

היישומים האופייניים לטכנולוגיית +HDDM‏ כוללים מדידת מרחק עבור בקרת איכות בייצור אלקטרוניקה, גילוי אובייקטים רב-ממדי וקביעת מיקום ב-LiDAR בהנדסת מכונות ומפעלים, וקביעת מיקום של מנופים או רכבים תעשייתיים.

תחום החישה של חיישני +HDDM‏ הוא עד 1.5 ק"מ על סרט רטרו-רפלקטיבי. לדוגמה, לדגם DT1000-S11101 יש תחום חישה של עד 460 מטר עם דיוק מדידה טיפוסי של ±15 מ"מ עבור אובייקטים טבעיים ורזולוציה מתכווננת בין 0.001 ל-100 מ"מ.

חישה השראתית

חיישני קירבה השראתיים כמו סדרת IME של SICK יכולים לגלות אובייקטים ממתכת ברזלית ולא-ברזלית. חיישנים אלה מורכבים ממעגל תהודה של משרן-קבל (LC) היוצר שדה אלקטרומגנטי מתחלף בתדר גבוה. כאשר חפץ מתכתי נכנס לתחום הגילוי, השדה מונחת. הניחות מזוהה על ידי מעגל הערכת האותות ומגבר המייצר את אות היציאה (איור 4).

איור 4: חיישן קירבה השראתי בסיסי מורכב ממעגל LC המייצר שדה מתחלף, מעריך אותות ומגבר. (מקור התמונה: SICK)

שני מפרטים חשובים עבור חישת מרחק של מספר טכנולוגיות חיישני קרבה הם מרחק החישה הנומינלי (Sn) ומרחק החישה המאובטח (Sa). Sn אינו מביא בחשבון טולרנסי ייצור או השפעות חיצוניות כמו טמפרטורת הפעולה. Sa מביא בחשבון גם את טולרנסי הייצור וגם שינויים בתנאי הפעולה. Sa הוא בדרך כלל כ-81% מהערך של Sn. למשל, עבור החיישן ההשראתי מדגם IME08-02BPSZT0S‏, Sn הוא 2 מ"מ ו-Sa הוא 1.62 מ"מ.

חישה קיבולית

כמו החיישנים ההשראתיים, חיישני קרבה קיבוליים משתמשים במתנד. במקרה זה, משתמשים בקבל פתוח שבו האלקטרודה הפעילה בחיישן מייצרת שדה אלקטרוסטטי ביחס להארקה. חיישנים אלו יכולים לגלות נוכחות של מגוון רחב של חומרים, כולל אובייקטים מתכתיים ולא-מתכתיים.

כאשר חפץ נכנס לשדה האלקטרוסטטי, אמפליטודת התנודות במעגל התהודה משתנה בהתאם לתכונות הדיאלקטרי של החומר. מעריך האותות מגלה את השינוי, והמגבר מייצר את אות היציאה (איור 5).

איור 5: בחיישן קירבה קיבולי, מעגל תנודות מייצר שדה אלקטרוסטטי המשנה את מאפייניו כאשר המטרה שעליו לחוש נכנסת לשדה שלו. (מקור התמונה: SICK)

כמו חיישני קירבה השראתיים, ישנם מספר מפרטים הקשורים למרחק החישה של חיישני הקרבה הקיבוליים, הכוללים את Sn‏, Sa ומקדם הפחתה. למשל, לדגם CM12-08EBP-KC1 יש Sn של 8 מ"מ ו-Sa נומינלי של 5.76 מ"מ.

האובייקט שיש לחוש חייב להיות לפחות בגודל של פני החיישן, ומרחק החישה משתנה בהתאם למקדם ההפחתה של החומר. מקדמי ההפחתה קשורים לקבוע הדיאלקטרי של החומר ויכולים לנוע מ-1 עבור מתכות ומים עד 0.4 עבור פוליוויניל כלוריד (PVC‏), 0.6 עבור זכוכית ו-0.5 עבור קרמיקה.

חישה מגנטית

חיישני קרבה מגנטיים מגיבים לנוכחות מגנט. חיישני הקרבה המגנטיים של SICK משתמשים בשתי טכנולוגיות גילוי:

• חיישני התנגדות מגנטית עצומה (GMR) מבוססים על נגדים המשנים את ערכם בנוכחות שדה מגנטי. גשר Wheatstone‏ משמש לגילוי השינוי בהתנגדות ולייצור אות היציאה. חיישני צילינדר MZT7, כמו ה-MZT7-03VPS-KP0, המיועדים לשימוש עם צילינדרים בעלי חריץ T, משתמשים בטכנולוגיית GMR כדי לגלות את מיקום הבוכנה במערכות הנעה פניאומטיות וביישומים דומים.
• טכנולוגיית ה-LC משתמשת במעגל תהודה המתנודד באמפליטודה קטנה. אם מתקרבים לחיישן שדה מגנטי חיצוני, אמפליטודת התהודה גדלה. מעריך האותות מגלה את העלייה, והמגבר מייצר את אות היציאה (איור 6). ל-MM08-60APO-ZUA יש Sn של 60 מ"מ ו-Sa של 48.6 מ"מ.

איור 6: בחיישן קרבה מגנטי, בחון השדה יכול להשתמש בטכנולוגיית GMR או LC. (מקור התמונה: SICK)

חיישנים אולטרסוניים

עבור אובייקטים במרחק של עד 8 מטר, המתכננים יכולים להשתמש בחיישנים אולטרסוניים כמו משפחת UM30 של SICK. חיישנים אלו הם בעלי קיזוז טמפרטורה משולב כדי לשפר את דיוק המדידה ולספק גילוי עצמים בלתי תלוי בצבע, חסינות לאבק ופעולה בטמפרטורות של עד C‏°‏70‏. הם מודדים מרחקים על בסיס טכנולוגיית זמן טיסה, שבה המרחק שווה למהירות הקול כפול זמן הטיסה האקוסטי הכולל (_2‏t‏) כשסה"כ מחולק ב-2 (איור 6).

איור 7: חיישנים אולטרסוניים יכולים למדוד מרחק על בסיס זמן הטיסה הכולל _2‏t‏) של גלי הקול. (מקור התמונה: SICK)

חיישנים אולטרסוניים כמו דגם UM30-212111 מתאימים עבור יישומים כגון ניטור תיבות אחסון ריקות. מנטר טמפרטורה פנימי מייצר דיוק מדידה של ±1%. חיישנים בלתי תלויים בצבע אלו יכולים לגלות אובייקטים שקשה להבחין בהם אפילו בנוכחות לכלוך ואבק.

סיכום

החדשות הטובות הן שיש מגוון רחב של אפשרויות בחירה בטכנולוגיות חיישני קרבה ומרחק. פירוש הדבר הוא שלכל דרישה של יישום יש פתרון. האתגר הוא למיין את האפשרויות הרבות ולמצוא מביניהן את הפתרון האופטימלי לגילוי החומרים הספציפיים בתנאי היישום והפעולה בפועל.