Comprendre les capteurs diffus dans l'automatisation industrielle

La détection d'objets est l'un des besoins fondamentaux du paysage de l'automatisation industrielle. Les capteurs sont ceux qui enregistrent les petits composants sur un convoyeur pour s'assurer qu'un bras robotisé a un composant dans la bonne position - sans ces capteurs, aucun des accompagnements modernes d'une installation de fabrication ne fonctionnerait. Parmi les plus adaptables et les plus utilisés de ce type, on trouve les détecteurs photoélectriques et, en particulier, les détecteurs à réflexion diffuse. Leur succès s'explique par l'efficacité de leur stratégie de commercialisation : simplicité, prix bas et petite taille.

Le choix du capteur est cependant l'une des décisions les plus importantes qui nécessite de la précision. Ce qui semble être des erreurs mineures dans la perception de la portée des capteurs, ou une mauvaise compréhension de l'attribut de la couleur d'une cible sur la performance, peut entraîner une inefficacité et un arrêt de la production. Le présent document vise à donner une vue d'ensemble claire et objective de la technologie des capteurs diffus. Nous examinerons ses principes de fonctionnement, nous la comparerons à d'autres procédés photoélectriques, nous expliquerons ses sous-types et nous donnerons un guide logique pour le choix. L'objectif est de développer les compétences techniques des ingénieurs, des techniciens et des responsables des achats, afin de leur permettre de prendre de meilleures décisions, basées sur des connaissances techniques, pour améliorer la fiabilité et l'efficacité de leurs systèmes automatisés. 

Principe de base : fonctionnement des capteurs photoélectriques diffus

À la base, une cellule photoélectrique diffuse fonctionne selon le principe de la lumière réfléchie. Il n'est pas nécessaire d'installer un réflecteur séparé ou d'utiliser une unité de réception séparée comme dans d'autres systèmes de capteurs, car la source de lumière et le récepteur sensible à la lumière sont réunis dans un seul appareil. Cette combinaison est à l'origine de la simplicité de sa conception et de sa facilité d'installation.

Pour ce faire, la source lumineuse, généralement une LED ou une diode laser, envoie un faisceau focalisé de lumière visible, généralement rouge ou infrarouge, dans le champ de détection. Le capteur attend ensuite que quelque chose se trouve sur le chemin de ce faisceau. En tant que réflecteur, la surface d'une cible est prise dans la trajectoire du faisceau. La lumière se divise en plusieurs directions lorsqu'elle atteint l'objet. Une petite partie de cette lumière dispersée est renvoyée vers le capteur avant d'être captée par le récepteur.

Le récepteur est exactement centré et incliné pour capter cette lumière réfléchie. Après avoir reçu une quantité suffisante de lumière, son circuit interne établit ce signal et modifie son état de sortie. Le signal est transmis à un contrôleur logique programmable (PLC), à un compteur ou à un autre dispositif de contrôle, qui effectue un travail préprogrammé. Le paramètre principal, qui dépend des caractéristiques de l'objet cible, de sa couleur, de la finition de sa surface et de la distance au capteur, est la quantité de lumière nécessaire pour activer la sortie. Un matériau blanc, non réfléchissant, réfléchira une grande quantité de lumière et sera donc distingué à une plus grande distance qu'un objet noir et brillant. Le lien entre les attributs des objets et la fiabilité de la détection est le facteur principal dans toutes les applications utilisant des capteurs diffus.

Diffusion, rétroréflexion et transparence : les principales différences en matière de détection

Le choix du type de capteur photoélectrique approprié est de la plus haute importance pour une application. Le choix dépend principalement des sacrifices en matière de réceptivité à distance, des qualités des objets, de la difficulté d'installation et de l'accessibilité financière. Les capteurs rétroréfléchissants constituent une solution intermédiaire entre les capteurs diffus et ceux qui peuvent être utilisés avec une paire d'unités et un réflecteur. Les détecteurs diffus sont les plus faciles à installer ; un seul dispositif est nécessaire, sans réflecteur. Leur principal inconvénient est que leur portée est moindre et qu'ils sont sensibles aux caractéristiques de la surface de la cible. Le tableau ci-dessous présente une comparaison directe de ces principales caractéristiques.

De l'énergie à la suppression de l'arrière-plan : Choisir le bon type

Les capteurs diffus ne sont pas tous égaux. Il existe des variantes technologiques au sein de la catégorie qui visent à résoudre les limites du modèle de base. Il existe des versions standard, les plus courantes, que l'on appelle parfois "capteur diffus énergétique". Il fonctionne simplement en fonction de la quantité de lumière qu'il reçoit. Tant que l'énergie lumineuse renvoyée au récepteur est suffisante, la sortie est activée. Bien qu'elle soit efficace pour les tâches de base de présence/absence impliquant des cibles constantes, cette approche ne permet pas de traiter des objets de couleur/réflectivité différentes. Un objet sombre peut ne pas émettre suffisamment de lumière pour être détecté, tandis qu'un arrière-plan brillant peut en émettre suffisamment pour provoquer un faux déclenchement.

Pour relever ces défis, de nouvelles technologies ont été élaborées. La suppression de l'arrière-plan (BGS) est la plus importante d'entre elles. Un capteur BGS ne mesure pas l'étendue de la lumière renvoyée, mais l'angle auquel elle est renvoyée. Il utilise deux dispositifs de détection et la triangulation afin de calculer avec précision la distance de l'objet émettant la lumière. Le capteur est également placé à une distance prédéterminée et ne réagit qu'aux objets situés à cette distance. Les objets plus brillants et réfléchissants que cette distance ne seront pas pris en compte. Les capteurs BGS sont donc particulièrement fiables lorsque l'objet cible se trouve au premier plan d'un arrière-plan variable ou réfléchissant. Ils sont presque résistants aux changements de couleur de la cible et sont les mieux adaptés à des cibles de couleurs différentes sur une même ligne de production.

Son fonctionnement est basé sur un principe analogue à celui de la triangulation, qui consiste à ignorer les objets situés à une distance prédéterminée et à détecter tout ce qui se trouve à une distance supérieure. Ce principe s'applique lorsque les capteurs regardent à travers une grille ou un grillage ou lorsque des obstacles proches du capteur doivent être ignorés. Il est important de comprendre ces différences afin de déployer une bonne solution de détection, robuste et fiable.

Critères de sélection critiques pour votre application d'automatisation industrielle

La sélection des capteurs doit être caractérisée par un processus systématique afin d'obtenir des performances optimales et d'éviter des erreurs de spécification coûteuses. Bien qu'ils soient des facteurs décisifs entre la suppression de l'énergie et de l'arrière-plan, divers paramètres opérationnels doivent être considérablement estimés par rapport aux exigences de l'application. Une conclusion minutieuse des critères suivants conduira au modèle de capteur diffus le plus approprié et le plus fiable.

Distance de détection

L'exigence la plus fondamentale est la distance de détection. Vous devez déterminer à quelle distance, en tenant compte des variations possibles, l'objet doit être vu. Choisissez toujours un capteur dont la portée maximale publiée dépasse de manière adéquate la distance à laquelle vous avez besoin du capteur. Les portées publiées sont souvent basées sur une cible idéale (par exemple, une carte blanche réfléchissante à 90 %). Sur des cibles plus sombres ou moins réfléchissantes, la portée effective sera inférieure.

Propriétés de l'objet cible

Il s'agit de la taille de la cible, de sa couleur et de la réflectivité de sa surface. La cible est-elle petite ? Dans ce cas, un modèle qui concentre sa lumière en un point étroit et net, comme un capteur laser, sera nécessaire. La teinte est-elle variable ? Si la ligne doit traiter des objets allant du blanc au noir, il y a de fortes chances que le capteur à suppression d'arrière-plan soit le capteur idéal pour fournir un résultat de lecture cohérent. La surface est-elle brillante ou semblable à un miroir ? Cela peut entraîner la surcharge d'un récepteur ordinaire ; des modèles spéciaux peuvent s'avérer nécessaires.

Considérations environnementales

Vérifiez la température ambiante, les relevés d'humidité relative (RH) et toute condensation. Ces variables environnementales peuvent interférer avec les performances du capteur, en particulier dans les environnements hostiles, tels que les environnements humides, poussiéreux ou chargés de produits chimiques. Il peut s'agir, par exemple, d'un modèle à lumière bleue où l'environnement est caractérisé par une forte humidité relative, ou d'une lumière incandescente qui s'avère être la lumière à laquelle ces capteurs sont le mieux adaptés, etc. Examinez le niveau IP (Ingress Protection) du capteur pour vous assurer qu'il est adapté aux conditions d'utilisation.

Accessoires et contrôle

La plupart des capteurs sont dotés de dispositifs auxiliaires tels que des supports de montage ou des potentiomètres externes permettant de régler la sensibilité. Un potentiomètre peut être utilisé pour mieux contrôler la portée et la sensibilité du capteur dans une application ayant des besoins de détection spécifiques. En outre, les capteurs peuvent également avoir des sorties PNP ou NPN et ces sorties doivent être compatibles avec votre système de contrôle.

Vitesse de réponse

Lorsqu'il s'agit d'applications à grande vitesse, comme le comptage de petites pièces arrivant sur un convoyeur en mouvement rapide, la fréquence de commutation du capteur est un élément clé. Vous devez être sûr que le capteur activera et désactivera son signal suffisamment rapidement pour discerner chaque objet de manière fiable.

Trouver le bon capteur : L'importance de votre distributeur de pièces détachées

Le processus de transfert des connaissances théoriques vers la pratique est très complexe sur le marché des fabricants, des modèles et des spécifications. Il peut être très difficile de sélectionner et d'acquérir le bon capteur de diffusion, le processus de sélection et d'acquisition pouvant être aussi important que l'évaluation technique elle-même. Une livraison erronée ou tardive des composants peut bloquer une chaîne de production, tandis qu'une sélection inadéquate peut entraîner une mauvaise maintenance persistante. C'est là que l'on voit l'importance d'un partenaire de distribution stratégique. Un distributeur expérimenté et digne de confiance sera plus qu'un fournisseur : un distributeur compétent et digne de confiance est une extension de vos services d'ingénierie et d'achat.

L'avantage OMCH : Votre partenaire pour le succès de l'automatisation

Le choix du bon partenaire apporte un avantage concurrentiel, pas seulement un composant. À l'OMCH, nous offrons cet avantage grâce à :

• Plus de 30 ans d'expérience dans le secteur : Depuis 1986, notre expertise accumulée vous assure de recevoir les recommandations de solutions les plus fiables et les plus éprouvées.
• Plate-forme d'approvisionnement à guichet unique : Nous proposons un portefeuille complet, allant des capteurs aux alimentations et aux composants pneumatiques, ce qui simplifie votre processus d'achat et garantit la compatibilité des composants.
• Solutions personnalisées : Lorsqu'un produit standard ne répond pas à vos besoins spécifiques, nos capacités OEM et de personnalisation nous permettent d'élaborer la solution parfaite pour vous.
• Engagement en faveur de la qualité avec certification internationale : Tous les produits sont conformes aux normes internationales telles que ISO 9001 et CE. Nous ne sommes pas seulement un fournisseur ; nous sommes votre expert en solutions de confiance.

Applications réelles dans divers secteurs clés de l'industrie manufacturière

Leur grande adaptabilité à d'autres applications permet d'utiliser les détecteurs diffus dans pratiquement tous les domaines. Grâce à leur conception simple et compacte, ils peuvent être facilement installés dans des machines nouvelles ou préexistantes et, en raison de leur haut niveau de fiabilité, la détection de n'importe quel objet peut être réalisée dans une grande variété de circonstances.

Les détecteurs diffus sont essentiels à l'automatisation des processus dans l'industrie de l'emballage. Ils sont généralement utilisés sur les lignes de convoyage où ils détectent la présence de cartons, de bouteilles ou de boîtes, déclenchant ainsi des actions telles que le remplissage, le bouchage ou l'étiquetage. Par exemple, un capteur de suppression d'arrière-plan installé au-dessus d'un convoyeur pourrait reconnaître la présence d'emballages de différentes couleurs et tailles, tout en restant complètement inconscient d'un convoyeur à bande, où la machine d'étiquetage resterait éteinte tant qu'un produit n'est pas correctement en place.

Ces capteurs sont très importants pour la manutention et la logistique lorsqu'ils sont utilisés pour le tri et le suivi. Les systèmes d'entreposage automatisés peuvent également utiliser des capteurs diffus aux intersections des convoyeurs pour s'assurer qu'un convoyeur a quitté le carrefour avant que le suivant ne soit autorisé à le traverser, ce qui permet d'éviter les accidents et de garantir la libre circulation des marchandises. Ils sont bien adaptés au comptage des articles sur les lignes de tri à grande vitesse en raison de leur temps de réponse rapide.

Les capteurs diffus focalisés sont l'une des industries que l'assemblage électronique englobe. Un capteur doté d'un petit laser focalisé peut être utilisé pour détecter la présence de minuscules dispositifs montés en surface (SMD) sur une carte de circuit imprimé (PCB) qui passe par la ligne d'assemblage. Il s'agit d'un simple contrôle de présence qui peut éviter qu'une carte défectueuse ne passe aux étapes plus coûteuses du processus de fabrication.

Dans le secteur du travail du bois et de la fabrication de meubles, les capteurs diffus ont pour fonction de détecter des matériaux de grande taille, généralement de couleur variable. Un capteur peut être placé pour détecter le bord d'attaque d'un panneau de bois afin d'indiquer à une machine de commencer à couper ou à percer. Une autre caractéristique importante de ce type de détecteur est qu'il n'a pas besoin de réflecteur pour fonctionner dans les zones poussiéreuses et parfois encombrées, si fréquentes dans ce type d'installations.

Résolution des problèmes courants et dépannage de la configuration de votre capteur

Même avec une sélection rigoureuse, les conditions réelles peuvent parfois présenter des défis qui affectent les performances des capteurs. Une approche logique du dépannage permet d'identifier et de résoudre rapidement les problèmes les plus courants, de minimiser les temps d'arrêt et d'assurer un fonctionnement régulier.

1. Le capteur ne détecte pas les objets

Cela peut résulter d'un certain nombre de facteurs, parmi lesquels la longueur d'onde de la source lumineuse utilisée est inappropriée, la température ambiante est en dehors de la plage de fonctionnement du capteur ou la lentille du capteur a été contaminée par de la poussière ou de l'humidité. Lorsque de la condensation se forme sur le capteur, le nettoyage de la lentille pour éliminer cette condensation peut contribuer à résoudre le problème. Il est nécessaire de s'assurer que le capteur utilisé a une distance de détection capable de détecter la taille d'un objet et sa réflectivité. Veillez à ce qu'il n'y ait pas trop de sources lumineuses absorbées par la surface de la cible, ce qui pourrait gêner la détection.

2. Faux déclenchement

Dans le cas d'un faux déclenchement, le capteur réagit au bruit réfléchi sur les surfaces voisines. Ce phénomène est particulièrement probable en cas d'humidité élevée ou de présence de matériaux réfléchissants dans l'environnement, qui peuvent affecter le retour de la lumière vers le capteur. Un modèle de suppression de l'arrière-plan ou un réglage du potentiomètre de sensibilité du capteur peut aider à rejeter les faux signaux.

3. Signal de sortie incorrect (problème PNP/NPN)

Dans le cas où le capteur ne fournit pas la bonne sortie (par exemple un signal NPN alors qu'il devrait s'agir d'un signal PNP), examinez le schéma de câblage. Assurez-vous que le type de sortie fourni par le capteur est compatible avec les exigences d'entrée du système de contrôle. Cette divergence peut se produire lorsque le capteur a été configuré de manière incorrecte (par exemple, les commutateurs NS utilisent les configurations intégrées disponibles PNP et NPN) au cours de l'installation.

4. Distance excessive ou problèmes de portée

Les applications travaillant avec de petites pièces, où il y a un risque de manquer de petits objets, utilisant des capteurs avec une portée de détection plus courte que l'objet, seront confrontées au problème de manquer des objets détectés à une plus grande distance. Si un capteur ne voit pas les objets à la distance donnée, vérifiez si la lumière de réflexion est suffisamment puissante et si l'objet est suffisamment brillant. Les objets très brillants et sombres sont parfois plus difficiles à régler ou nécessitent parfois un capteur entièrement différent.

5. Impact environnemental : humidité et température

Une humidité relative (HR) élevée et une température ambiante sévère peuvent avoir un impact critique sur les performances du capteur, même dans le cas de capteurs non scellés ou de faible qualité. Si le capteur que vous utilisez fonctionne dans de telles conditions, il est préférable d'utiliser un capteur rétroréfléchissant ou un capteur à indice de protection IP plus élevé, qui résistera mieux à ces conditions. Dans de tels cas, il est recommandé d'utiliser des capteurs qui offrent un niveau plus élevé de protection environnementale ou des conceptions de lumière bleue qui sont plus faibles dans des conditions humides.

En identifiant les causes profondes des dysfonctionnements des capteurs et en y remédiant rapidement, vous pouvez garantir le bon fonctionnement et la fiabilité de vos systèmes d'automatisation.