مبدأ عمل المستشعر الكهروضوئي: دليل كامل لكيفية عمله

مع البيئة سريعة التغير في الصناعة 4.0، أدى التقدم العلمي وظهور أجهزة الكمبيوتر إلى تغيير أرضية التصنيع بشكل أساسي. المستشعرات هي عيون المصنع الحديث اليوم وأحد أكثر المستشعرات تنوعًا هو نوع المستشعرات المشار إليه باسم المستشعر الكهروضوئي. هذه المستشعرات الضوئية ضرورية في الأتمتة الصناعية وهي توفر سهولة التحكم والدقة اللازمة للقيام بالمهام المعقدة. ولتحديد الحساس الكهروضوئي الأنسب للاستخدام في تطبيق معين، من المهم معرفة الأنواع المختلفة من الحساسات الكهروضوئية في السوق وكيفية عمل هذه الأجهزة.

يمكن الكشف عن وجود الأجسام المستهدفة بسرعات عالية، مثل زجاجات المشروبات على حزام ناقل، أو سلامة باب المصعد الآلي، أو التحقق من الوضع الصحيح لرقاقة إلكترونية باستخدام مستشعر كهروضوئي. تقدم هذه الآلات المعلومات الحيوية اللازمة لاتخاذ القرارات الآلية في خطوط الإنتاج المختلفة.

ولكن كيف تدرك هذه الأجهزة ما يحيط بها؟ يعتمد أساس عمل هذه الأجهزة على وصف كامل لتفاعل فيزياء الكم والهندسة البصرية والإلكترونيات عالية السرعة. الاستشعار الكهروضوئي هو استشعار غير تلامسي (على عكس مستشعرات درجة الحرارة التلامسية الشائعة أو المفاتيح الميكانيكية) ويمكن استخدامه للكشف عن جسم خارجي دون تآكل مادي. هذا البرنامج التعليمي عبارة عن شرح كامل لكيفية عمل المستشعر الكهروضوئي وأنواعه المختلفة وتطبيقات المستشعرات الجديدة التي تحدد التقنية الحالية.

كيفية تحويل المستشعرات الكهروضوئية الضوء إلى إشارات كهربائية

المستشعر الكهروضوئي هو محوّل طاقة في أبسط مستوياته. فهو يحول الطاقة الكهرومغناطيسية، في شكل ضوء في الضوء المرئي أو طيف الأشعة تحت الحمراء، إلى إشارة كهربائية يمكن لوحدة التحكم المنطقي القابلة للبرمجة (PLC) فهمها لإتمام عملية الكشف عن وجود الأجسام المستهدفة.

تستند هذه العملية إلى التأثير الكهروضوئي باعتباره التأثير الكهروضوئي الأساسي العملية الفيزيائية. عندما يستقبل عنصر الاستقبال في جهاز الاستشعار أشعة الضوء (الفوتونات)، فإنها تعطي الإلكترونات طاقة. وعندما تكون الطاقة كافية، تدفع هذه الإلكترونات جانباً وينتج تيار من التيار الكهربائي.

في أجهزة الاستشعار الصناعية الحديثة، يحدث هذا التحويل داخل الصمام الثنائي الضوئي أو الترانزستور الضوئي.

1. فوتون الامتصاص: يصطدم الضوء المنبعث من مصدر الضوء الباعث بالوصلة الضوئية P-N للمستقبل.
2. الناقل الجيل: تُنشئ الطاقة الممتصة أزواجًا من ثقوب الإلكترونات، والتي يمكن أن تؤثر على تيار القاعدة في دائرة الترانزستور الداخلية.
3. تحويل الإشارة: تتم معالجة هذا التغير في الحالة الكهربائية بواسطة مضخم داخلي. يقارن المستشعر الإشارات الضوئية بعتبة محددة مسبقًا. إذا تجاوز سطوع مؤشر LED المنعكس هذه العتبة، “ينشط” الحساس ويغير حالة الخرج. تحدث هذه العملية في أقل وقت ممكن، مما يؤدي إلى زمن استجابة سريع.

تشريح المستشعر: البواعث وأجهزة الاستقبال والدوائر الداخلية

المستشعر الكهروضوئي هو مزيج معقد من ثلاث كتل وظيفية رئيسية تحدد الأداء الأساسي للمستشعر الكهروضوئي:

1. الباعث (النور) المصدر)

في غالبية أجهزة الاستشعار الحديثة، يتم استخدام أنواع مختلفة من الصمامات الثنائية الباعثة للضوء (LED) أو أجهزة الاستشعار بالليزر. وعلى الرغم من استخدام الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) بالأشعة تحت الحمراء عادةً بسبب قدرته على مقاومة الضوء المحيط، فإن ضوء الليزر مفضل بسبب قدرته على المدى البعيد بسبب شعاعه شديد الموازاة. يسمح مفهوم مستشعرات الليزر بزاوية شعاع صغيرة جداً، وهو أمر ضروري في الكشف عن الأجزاء الصغيرة.

2. جهاز الاستقبال (الكاشف)

تشكل العدسة الضوئية والكاشف الضوئي عنصر الاستقبال. العدسة ضرورية لأنها تركز أشعة الضوء التي تأتي على سطح استشعار صغير. ويمكن للمستقبل أيضاً أن يركز الضوء المنعكس على الهدف بدقة كبيرة من خلال ضبط نطاق زاوية زاوية البصريات الداخلية، وأن يكون غير حساس للتداخل المحيط، بما في ذلك وميض الهواتف المحمولة أو الإضاءة العلوية عالية التردد.

3. الدوائر الداخلية و أسيك

بعد أن يستقبل الكاشف الضوء الباعث للضوء، فإن أسيك ينطوي على:

• التحوير/إزالة التحوير: ينبض الباعث ضوءه بتردد محدد لمنع التداخل.
• التضخيم: زيادة الإشارات الدقيقة إلى تيار كهربائي قابل للاستخدام.
• تعديل الحساسية: السماح للمستخدمين باستبعاد الجسيمات الصغيرة مثل الغبار مع الاستمرار في التقاط الجسم الخارجي.

إتقان أنماط الاستشعار القياسية الثلاثة ومقايضاتها

يتم تحديد وضع تشغيل المستشعر من خلال موضع الباعث والمستقبل. هناك ثلاثة أنواع رئيسية من أجهزة الاستشعار الكهروضوئية المطبقة في الصناعة:

شعاع عابر (مقابل)

الباعث والمستقبل وحدتان منفصلتان. يتم تنشيط المستشعر من خلال عدم وجود جسم بينهما؛ وعندما يمر جسم ما بينهما، ينقطع الشعاع. تشمل الإصدارات المتخصصة من هذه الستارة الضوئية؛ وتنتشر تطبيقات الستائر الضوئية الآمنة على نطاق واسع في حماية العمال من الأذرع الآلية.

• الإيجابيات: يعمل على مسافات طويلة (تصل إلى أكثر من 100 متر)؛ أعلى موثوقية في بيئات التشغيل الصعبة.
• السلبيات: يتطلب توصيل الأسلاك إلى مكانين مختلفين.

النوع العاكس (عاكس رجعي)

يتم وضع جهاز الاستقبال والباعث معاً. يتم توجيه الضوء المنبعث إلى “عاكس” خاص ويعكس الضوء المنبعث إلى الخلف. وهناك إصدار عالي الدقة هو مستشعر الشوكة، حيث يتم محاذاة الباعث والمستقبل مسبقًا في مبيت على شكل حرف U.

• الإيجابيات: يتطلب توصيل الأسلاك إلى جانب واحد فقط؛ يغطي نطاقاً واسعاً.
• السلبيات: يمكن أن تنخدع بالأجسام اللامعة ما لم تكن مستقطبة.

النوع العاكس المنتشر

مشابه للنوع العاكس، ولكن بدون عاكس. ينتظر المستشعر حتى يرتد الضوء من الهدف نفسه. في المساحات الضيقة، يسمح استخدام كابلات الألياف البصرية بوصول الضوء إلى الهدف من خلال قناة رقيقة ومرنة.

• الإيجابيات: أسهل تركيب؛ لا توجد أجزاء ثانوية.
• السلبيات: تعتمد بشكل كبير على الخصائص الفيزيائية المختلفة للجسم، مثل اللون والملمس.

جدول المقارنة: أوضاع الاستشعار القياسية والتطبيقات الصناعية

تقنية متقدمة: إخماد الخلفية وأنماط الكشف المتخصصة

مع تزايد تحديات الأتمتة، أصبحت الأنواع المختلفة من أجهزة الاستشعار أكثر تخصصاً.

إخماد الخلفية (BGS)

تحل مستشعرات BGS أكبر نقطة ضعف في المستشعرات المنتشرة: “رؤية” جدار أو جزء آلة خلف الهدف. باستخدام مبدأ التثليث, لا يقيس مستشعر BGS شدة الضوء فحسب، بل يفسر فرق المسافة من خلال اكتشاف الزاوية المحددة التي يعود عندها الضوء إلى العنصر المستقبل. يسمح هذا الحساب الهندسي ببرمجة المستشعر لتحديد جسم ما عند 50 مم وتجاهل جدار أبيض ساطع تمامًا عند 60 مم، بغض النظر عن لون الخلفية أو سطوعها.

علامة اللون ومستشعرات التباين

يستخدم مستشعر الألوان مصابيح RGB LED لتعمل كأجهزة للتعرف على الألوان. وهذه الأجهزة ضرورية للكشف عن اختلافات التباين، مثل تحديد علامة تسجيل سوداء على غلاف التغليف الأزرق الداكن.

شعاع متقارب

يركّز النوع العاكس المتقارب أشعة الباعث والمستقبل في نقطة واحدة ثابتة في الفضاء. وهذا يسمح باستشعار الأجسام الصغيرة جدًا، مثل حافة الرقاقة، مع تجاهل كل شيء آخر قبل أو بعد تلك النقطة البؤرية.

عوامل الاختيار الحرجة: المادة المستهدفة والمسافة والبيئة

يعتمد اختيار جهاز الاستشعار على معرفة عميقة بفيزياء بيئة التطبيق لأن المتغيرات الخارجية قد يكون لها تأثير كبير على سلوك الضوء.

1. الانعكاسية واللون

لكل مادة “عامل انعكاسية” فريد من نوعه. في نوع أو أوضاع الانعكاسية المنتشرة، قد يعكس السطح الأبيض غير اللامع 90% من الضوء إلى جهاز الاستقبال، في حين أن السطح الأسود غير اللامع قد يعكس أقل من 5%، ويمتص الباقي كحرارة. وهذا يقلل بشكل كبير من مسافة الاستشعار الفعالة للأجسام الداكنة. وعلى العكس من ذلك، يمكن أن تتسبب الأسطح “الشبيهة بالمرآة” العاكسة للغاية (الانعكاس المرآتي) في “نتائج إيجابية كاذبة” في المستشعرات العاكسة العاكسة من خلال عكس الشعاع مرة أخرى تمامًا مثل عاكس الهدف. ولمواجهة ذلك، يتم استخدام مرشحات مستقطبة لضمان أن يتعرف جهاز الاستقبال فقط على الضوء الذي تم “إزالة استقطابه” بواسطة عاكس مكعب الزاوية، متجاهلاً بشكل فعال الوهج الصادر من المعدن اللامع أو البلاستيك.

2. حجم وشكل الهدف

لضمان تشغيل المستشعر، يجب أن يكون الهدف كبيراً بما يكفي لحجب أو عكس كمية كبيرة من شعاع الضوء. عندما يكون شعاع الضوء أوسع من الجسم، مثل سلك رفيع أو إبرة، يمكن أن يتسرب بعض الضوء حول الحواف ولن يتمكن جهاز الاستقبال من استشعار تغير الحالة. في مثل هذه الحالات، تكون المستشعرات القائمة على الليزر مطلوبة لأن أشعة المستشعرات القائمة على الليزر تكون موازِنة للغاية ولها شعاع رقيق كالإبرة يمكن أن ينقطع بالكامل بواسطة المكونات الدقيقة. وعلاوة على ذلك، فإن الشكل مهم؛ حيث يمكن للأسطح المائلة أو الكروية أن تحرف الضوء بعيداً عن جهاز الاستقبال (انعكاس فرينل)، مما يتطلب إعدادات كسب أكثر حساسية.

3. البيئة الضوضاء والكسب الزائد

نادرًا ما تكون البيئات الصناعية “نظيفة”. فالملوثات المحمولة في الهواء مثل الغبار أو البخار أو رذاذ الزيت أو الرذاذ الثقيل تشتت الطاقة الضوئية وتضعفها. للعمل من خلال هذه “الضوضاء”، ينظر المهندسون إلى الكسب الزائد-نسبة الطاقة الضوئية المستقبلة بالفعل مقارنة بالحد الأدنى من الطاقة اللازمة لتشغيل المستشعر. يعمل الكسب الزائد العالي كطاقة احتياطية. المعيار الذهبي للظروف القاسية هو أجهزة الاستشعار عبر الشعاع لأن الضوء مطلوب منه المرور عبر الضباب مرة واحدة فقط. ومن ناحية أخرى، يتعين على أجهزة الاستشعار العاكسة أن تمر عبر الملوثات مرتين (إلى الهدف/العاكس والعكس)، مما يضاعف فقدان الإشارة ويعرضها لخطر الفشل.

هذه هي الجوانب الجسدية المعقدة التي يجب على الشريك الذي أثبت خبرته. بما أن 1986, أومتش تعمل على سد الفجوة بين النظرية البصرية المتقدمة والواقع الخشن في الصناعة. تتميز تصميماتنا لأفضل أجهزة الاستشعار الكهروضوئية بأكثر من 72,000 عميل في أكثر من 100 دولة, ، وتم تحسينها لحل مشكلات معينة مثل تداخل المنطقة العمياء والتشويش الأرضي الخلفي.

ولحل مشاكل الانعكاسية المعقدة المذكورة أعلاه، طورت شركة OMCH أكثر من 3,000 وحدة تخزين متخصصة 3,000 التي تقوم على الموثوقية وسهولة التحكم. يتم اختبار جميع مستشعرات OMCH في عملية من ثلاث مراحل، بما في ذلك الفحص الوارد والمعالجة والفحص النهائي، في مصنع حديث بمساحة 8,000 متر مربع. منتجات OMCH متوفرة إما في مستشعر BGS المبرمج لتجاهل الخلفيات الرائعة أو نموذج من خلال الحزمة مع كسب زائد عالٍ يناسب البيئات عالية الغبار، وهي متوفرة وفقًا للمعايير العالمية مثل ISO9001 و CE و RoHS و CCC. تقدم OMCH أداءً مثاليًا بالمللي ثانية مع دعم فني سريع على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع، مما يضمن استمرار عمل البنية التحتية الحيوية لديك، بغض النظر عن مدى تعقيد بيئة الاستشعار لديك.

فك رموز NPN و PNP ومنطق التشغيل الخفيف مقابل منطق التشغيل الداكن

بعد أن يكتشف المستشعر جسمًا ما، يجب أن يتواصل مع وحدة التحكم. وهذا يستلزم مفهومين كهربائيين مهمين.

NPN مقابل PNP (“القطبية”)

يشير هذا إلى نوع الترانزستور المستخدم في مرحلة الخرج:

• NPN (غرق): يقوم المستشعر بتوصيل الحمل بالسكة السالبة (0 فولت). الأكثر شيوعًا في آسيا ومع العديد من أجهزة PLC اليابانية.
• PNP (التوريد): يقوم المستشعر بتوصيل الحمل بالسكة الموجبة (+V). هذا هو المعيار في أوروبا وأمريكا الشمالية.

تشغيل الضوء مقابل تشغيل الظلام (“المنطق”)

هذا يحدد متى تكون إشارة الخرج نشطة:

• إضاءة على: يكون الخرج “قيد التشغيل” عندما يرى جهاز الاستقبال الضوء. (نموذجي لمستشعرات الانتشار).
• ظلام دامس يكون الإخراج “قيد التشغيل” عند انقطاع شعاع الضوء. (نموذجي لمستشعرات الشعاع العابر).
• غالبًا ما تتميز المستشعرات الحديثة ب “سلك تحكم” أو مفتاح يسمح للمستخدم بالتبديل بين هذين الوضعين، مما يوفر مرونة أكبر في الميدان.

دليل استكشاف الأخطاء وإصلاحها: حل مشكلات التشغيل الكاذب الشائعة

حتى أجهزة الاستشعار الأكثر تصميمًا قد تواجه صعوبات في الميدان. الخطوة الأولى للإصلاح هي معرفة سبب العطل:

• التداخل المتبادل: إذا تم وضع مستشعرين قريبين جدًا من بعضهما البعض، فقد “يرى” مستقبل المستشعر A باعث المستشعر B.
  • الحل: باعد بين المستشعرات عن بعضها البعض أو بدّل مواضع الباعث/المستقبل بحيث تواجه اتجاهات متعاكسة.
• تلوث العدسة: يعمل الغبار أو الغشاء الزيتي على تشتيت الشعاع، مما يؤدي إلى إشارات متقطعة.
  • الحل: استخدم الحساسات المزودة بمصباح LED “مؤشر الثبات” الذي يومض عندما تصبح الإشارة الضوئية ضعيفة بشكل خطير.
• تداخل الإضاءة المحيطة: يمكن لأشعة الشمس القوية أو إضاءة LED العلوية عالية التردد أن تتجاوز مرشحات المستشعر في بعض الأحيان.
  • الحل: استخدم مستشعرًا ذا “رفض أفضل للضوء الشارد” أو أضف غطاءً ماديًا بسيطًا إلى جهاز الاستقبال.

مستقبل الاستشعار: وصلة IO-Link والتشخيص الذكي

يتم تغيير هذه الأجهزة بظهور بروتوكولات الاتصالات الضوئية مثل IO-Link. تتيح وظائف أجهزة الاستشعار الجديدة إمكانية نقل البيانات في الوقت الحقيقي فيما يتعلق بسطوع الصمام الثنائي الباعث للضوء أو درجة الحرارة الداخلية. يمكن استخدام هذه المعلومات للصيانة التنبؤية، حيث لا ينقطع تحديد وجود الأجسام المستهدفة.

بدلاً من مجرد إخراج “نعم/لا”، يمكن لجهاز الاستشعار الذي يدعم وصلة الإدخال والإخراج أن ينقل البيانات في الوقت الفعلي فيما يتعلق بصحته، مثل

• درجة الحرارة الداخلية: اكتشاف السخونة الزائدة قبل حدوث عطل.
• مستويات كسب المتلقي: تنبيه فريق الصيانة بأن العدسة أصبحت متسخة قبل يتوقف عن العمل (الصيانة التنبؤية).
• التهيئة عن بُعد: تغيير حساسية المستشعر أو المنطق عبر برنامج PLC دون لمس الأجهزة.

مع التقدم نحو المزيد من التصنيع المستقل، فإن دمج بروتوكولات الاتصالات الرقمية سيضمن أن تكون المستشعرات هي الأجزاء الأكثر موثوقية وذكاءً في خط التجميع الحديث.

الخاتمة

يعد مبدأ عمل المستشعرات الكهروضوئية، أي كيفية تحويل الضوء إلى كمي وكيفية الحصول على منطق مخرجات NPN/PNP، أحد المتطلبات الأساسية لأي مهندس أو فني في مجال الأتمتة. من خلال الاختيار الصحيح لوضع الاستشعار وفهم المتغيرات البيئية في العمل، يمكنك تطوير أنظمة أسرع وأكثر أمانًا وكفاءة.