Entendendo os sensores difusos na automação industrial

A detecção de objetos é uma das necessidades fundamentais do cenário da automação industrial. Os sensores são aqueles que registram pequenos componentes em um transportador para garantir que um braço robótico tenha um componente na posição correta - sem esses sensores, nenhum dos acompanhamentos modernos em uma instalação de fabricação funcionaria. Entre os mais adaptáveis e amplamente utilizados desse tipo estão os sensores fotoelétricos e, em particular, o tipo reflexivo difuso. Seu sucesso se deve à eficácia da estratégia de marketing de simplicidade, preços baixos e tamanho pequeno.

No entanto, a escolha do sensor é uma das decisões mais importantes que exigem precisão. O que parecem ser pequenos erros na percepção do alcance dos sensores, ou um entendimento ruim do atributo da cor de um alvo sobre o desempenho, pode resultar em ineficiência e interrupção da produção. Este documento foi elaborado para fornecer uma visão geral clara e objetiva da tecnologia de sensores difusos. Analisaremos seus princípios de funcionamento, compararemos com outros processos fotoelétricos, explicaremos seus subtipos e forneceremos um guia lógico para a escolha. O objetivo é desenvolver as habilidades técnicas de engenheiros, técnicos e gerentes de compras, a fim de permitir que eles tomem decisões melhores, com base no conhecimento técnico, para aumentar a confiabilidade e a eficiência de seus sistemas automatizados. 

Princípio fundamental: como os sensores fotoelétricos difusos realmente funcionam

No nível básico, um sensor fotoelétrico difuso funciona pelo princípio da luz refletida. Não há necessidade de instalar um refletor separado nem de usar uma unidade receptora separada, como em outros sistemas de sensores, porque a fonte de luz e o receptor sensível à luz estão em um único dispositivo. Essa combinação é a base da simplicidade de seu design, bem como de sua fácil instalação.

Isso é feito pela fonte de luz, geralmente um LED ou um diodo de laser, que envia um feixe focalizado de luz visível, geralmente vermelha ou infravermelha, para o campo de detecção. O sensor aguarda até que algo se interponha no caminho desse feixe. Como um refletor, a superfície de um alvo é tomada no caminho do feixe. A luz se divide em várias direções ao atingir o objeto. Uma quantidade proporcionalmente pequena dessa luz dispersa é inclinada de volta para o sensor antes de ser capturada pelo receptor.

O receptor é exatamente centralizado e inclinado para captar essa luz refletida. Depois que uma quantidade suficiente de luz é recebida, seu circuito interno define esse sinal e altera seu estado de saída. O sinal é retransmitido para um controlador lógico programável (PLC), um contador ou outro dispositivo de controle, que realiza um trabalho pré-programado. O parâmetro principal, que depende das características do objeto-alvo, de sua cor, do acabamento da superfície e da distância até o sensor, é a quantidade de luz necessária para ativar a saída. Um material branco e não refletor refletirá uma grande quantidade de luz e, portanto, será distinguido a uma distância maior do que um objeto preto e brilhante. A conexão entre os atributos dos objetos e a confiabilidade da detecção é o principal fator em todas as aplicações que usam sensores difusos.

Difuso vs. Retro-reflexivo vs. Através do feixe: principais diferenças de detecção

A seleção do tipo adequado de sensor fotoelétrico é de extrema importância para uma aplicação. A escolha depende principalmente dos sacrifícios na receptividade à distância, das qualidades dos objetos, da dificuldade de instalação e da acessibilidade econômica. Os sensores retrorrefletivos são um intermediário entre os sensores difusos e os que podem ser aplicados onde um par de unidades e um refletor podem ser utilizados. Os sensores difusos são os mais fáceis de instalar; é necessário apenas um dispositivo e nenhum refletor. A principal desvantagem é seu menor alcance de detecção e a sensibilidade ao caráter da superfície do alvo. A tabela abaixo apresenta um contraste direto desses principais recursos.

De energético a supressão de fundo: Escolhendo o tipo certo

Existem algumas variações tecnológicas dentro da categoria que têm como objetivo resolver os limites do modelo básico. Há versões padrão, as mais comuns, que às vezes são chamadas de sensor difuso energético. Ele funciona apenas com a quantidade de luz que recebe. Desde que haja energia luminosa suficiente transportada de volta para o receptor, a saída é alternada. Embora seja eficaz em tarefas básicas de presença/ausência que envolvem alvos constantes, essa abordagem é ruim para lidar com objetos de cores/refletividade diferentes. Um objeto escuro pode não emitir luz suficiente para ser detectado e um fundo brilhante pode emitir tanta luz a ponto de causar um disparo falso.

Para enfrentar esses desafios, novas tecnologias foram formuladas. A supressão de fundo (BGS) é a mais importante delas. Um sensor BGS não mede a extensão da luz retornada, mas o ângulo em que ela retorna. Ele emprega dois dispositivos de detecção e triangulação para calcular com precisão a distância do objeto que emite a luz. O sensor também será colocado a uma distância predeterminada e só responderá a objetos a essa distância. Objetos mais brilhantes e reflexivos do que esse limite serão desconsiderados. Isso garante que os sensores BGS sejam particularmente confiáveis para uso quando o objeto-alvo estiver em primeiro plano em relação a um fundo variável ou reflexivo. Eles são quase resistentes a mudanças de cor do alvo e são os mais adequados para alvos de cores diferentes na mesma linha de produção.

A outra variante próxima é o sensor de supressão de primeiro plano. Seu funcionamento é baseado em um princípio análogo de triangulação, configurado para desconsiderar objetos mais próximos de uma distância predeterminada, detectando qualquer coisa que esteja mais distante do que isso. Isso é aplicável quando os sensores podem estar olhando através de uma grade ou malha ou quando obstruções próximas ao sensor devem ser ignoradas. É importante entender essas diferenças para implantar uma solução de detecção boa, robusta e confiável.

Critérios críticos de seleção para sua aplicação de automação industrial

A seleção do sensor deve ser caracterizada por um processo sistemático para ter um desempenho ideal e evitar erros de especificação dispendiosos. Embora sejam fatores decisivos entre a supressão energética e a supressão de fundo, vários parâmetros operacionais precisam ser consideravelmente estimados em relação aos requisitos da aplicação. Uma conclusão cuidadosa dos critérios a seguir levará ao modelo de sensor difuso mais adequado e confiável.

Distância de detecção

O requisito mais básico são as distâncias de detecção. Você precisa descobrir a que distância, incluindo a variação que pode estar envolvida, o objeto deve ser visto. Sempre escolha um sensor com um alcance máximo publicado que exceda adequadamente a distância em que você precisa dele. Os alcances publicados geralmente são baseados em um alvo ideal (por exemplo, um cartão branco com 90% de reflexão). Em alvos mais escuros ou menos refletivos, esse alcance efetivo deve ser menor.

Propriedades do objeto de destino

Isso inclui o tamanho do alvo, a cor e a refletividade de sua superfície. O alvo é pequeno? Nesse caso, será necessário um modelo que concentre sua luz em um ponto estreito e nítido, como um sensor a laser. A tonalidade é variável? Se a linha estiver lidando com objetos brancos ou pretos, é provável que o sensor de supressão de fundo seja o sensor ideal para fornecer um resultado de leitura consistente. A superfície é brilhante ou espelhada? Isso pode sobrecarregar um receptor comum; talvez sejam necessários modelos especiais.

Considerações ambientais

Verifique a temperatura ambiente, as leituras de umidade relativa (RH) e qualquer condensação. Essas variáveis ambientais podem interferir no desempenho do sensor, principalmente em ambientes hostis, como ambientes úmidos, empoeirados ou com produtos químicos. Exemplos de tais modelos incluem um modelo de luz azul em que o ambiente é caracterizado por alta umidade (RH), ou luz incandescente, que é a luz à qual esses sensores são mais adequados, e assim por diante. Observe o nível de IP (Ingress Protection) do sensor para ter certeza de que ele está adequadamente vedado para as condições.

Acessórios e controle

A maioria dos sensores tem dispositivos auxiliares, como suportes de montagem ou potenciômetros externos para ajustar a sensibilidade. Um potenciômetro pode ser usado para proporcionar maior controle sobre a faixa e a sensibilidade do sensor em uma aplicação com necessidades específicas de detecção. Além disso, os sensores também podem ter saídas PNP ou NPN e essas saídas também devem ser compatíveis com o seu sistema de controle.

Velocidade de resposta

Quando se trata de aplicações de alta velocidade, como na contagem de peças pequenas que chegam em um transportador em movimento rápido, a frequência de comutação do sensor é uma consideração importante. Você precisa ter certeza de que o sensor ligará/desligará o sinal com rapidez suficiente para discernir cada objeto de forma confiável.

Obtendo o sensor certo: Por que seu distribuidor de peças é importante

O processo de transferência do conhecimento teórico para o prático é repleto de complexidade no mercado de fabricantes, modelos e especificações. Pode ser bastante desafiador selecionar e adquirir o sensor difuso correto; o processo de seleção e aquisição pode ser tão importante quanto a própria avaliação técnica. Uma entrega errada ou atrasada dos componentes pode paralisar uma linha de produção, enquanto uma seleção inadequada pode causar uma manutenção persistentemente ruim. Aqui se vê a importância de um parceiro de distribuição estratégico. Um distribuidor experiente e confiável será mais do que um fornecedor: um distribuidor experiente e confiável é uma extensão de seus departamentos de engenharia e compras.

A vantagem da OMCH: Seu parceiro no sucesso da automação

A escolha do parceiro certo traz uma vantagem competitiva, não apenas um componente. Na OMCH, oferecemos essa vantagem por meio de:

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Aplicações reais em vários setores importantes de manufatura

Sua alta adaptabilidade a outras aplicações leva ao uso de sensores difusos em praticamente qualquer campo. Com seu design simples e compacto, eles podem ser facilmente instalados em máquinas novas e pré-existentes e, devido ao seu alto nível de confiabilidade, a detecção de qualquer objeto pode ser obtida em uma ampla variedade de circunstâncias.

Os sensores difusos são essenciais para a automação de processos no setor de embalagens. Em geral, eles são aplicados nas linhas de transporte, onde detectam a presença de caixas de papelão, frascos ou caixas, iniciando ações como enchimento, colocação de tampa ou rotulagem. Por exemplo, um sensor de supressão de fundo instalado acima de um transportador poderia reconhecer consistentemente a presença de embalagens de diferentes cores e tamanhos, mas permaneceria completamente alheio a uma esteira transportadora, onde a máquina de rotulagem permaneceria desligada a menos que um produto estivesse devidamente colocado.

Esses sensores são muito importantes no manuseio de materiais e na logística quando são usados na classificação e no rastreamento. Os sistemas de armazéns automatizados também podem usar sensores difusos ao longo das interseções de transportadores para garantir que um item tenha saído da interseção antes que o próximo tenha permissão para passar por ela, evitando acidentes e garantindo que haja livre movimentação das mercadorias. Eles são adequados para a contagem de itens em linhas de classificação de alta velocidade devido ao seu rápido tempo de resposta.

Os sensores difusos focalizados são um dos setores que a montagem de eletrônicos abrange. Um sensor com um pequeno foco de laser pode ser empregado para verificar a presença de minúsculos dispositivos montados na superfície (SMDs) em uma placa de circuito impresso (PCB) que passa pela linha de montagem. Essa é uma simples verificação de presença que pode evitar que uma placa com defeito avance para as etapas mais caras do processo de fabricação.

Na marcenaria e na fabricação de móveis, os sensores difusos desempenham a função de detectar materiais grandes, geralmente de cores variáveis. Um sensor pode ser colocado para detectar a borda principal de um painel de madeira para indicar a uma máquina que inicie o corte ou a perfuração. Outro grande atributo de seu uso é que ele não precisa de um refletor para operar em áreas empoeiradas e, às vezes, desordenadas, tão comuns nessas instalações.

Solução de desafios comuns e solução de problemas na configuração do sensor

Mesmo com uma seleção cuidadosa, as condições do mundo real podem, às vezes, apresentar desafios que afetam o desempenho do sensor. Uma abordagem lógica para a solução de problemas pode identificar e resolver rapidamente os problemas mais comuns, minimizando o tempo de inatividade e garantindo uma operação consistente.

1. O sensor não está detectando objetos

Isso pode ser resultado de vários fatores, entre eles o comprimento de onda da fonte de luz usada ser inadequado, uma temperatura ambiente fora da faixa de operação do sensor ou a lente do sensor ter sido contaminada por poeira ou umidade. Quando ocorre condensação no sensor, a limpeza da lente para remover essa condensação pode ajudar a eliminar o problema. É necessário certificar-se de que o sensor usado tenha uma distância de detecção capaz de detectar o tamanho de um objeto e sua refletividade. Certifique-se de que muitas fontes de luz não estejam sendo absorvidas pela superfície do alvo, o que pode interferir na detecção.

2. Falso acionamento

Com o disparo falso, o sensor está respondendo ao ruído refletido nas superfícies vizinhas. Isso é mais provável quando há muita umidade ou quando há material reflexivo no entorno que pode afetar o retorno da luz ao sensor. Um modelo de supressão de fundo ou a configuração do potenciômetro de sensibilidade do sensor pode ajudar a rejeitar sinais falsos.

3. Sinal de saída incorreto (problema PNP/NPN)

No caso de o sensor não estar fornecendo a saída correta (por exemplo, um sinal NPN quando deveria ser um sinal PNP), verifique o esquema de fiação. Certifique-se de que o tipo de saída fornecido pelo sensor seja compatível com os requisitos de entrada do sistema de controle. Essa discrepância pode ocorrer quando o sensor foi configurado incorretamente (por exemplo, os NSwitches usam as configurações internas disponíveis PNP e NPN) durante a instalação.

4. Distância excessiva ou problemas de alcance

Os aplicativos que trabalham com peças pequenas, em que há o risco de perder objetos pequenos usando sensores com um alcance de detecção menor do que o objeto, enfrentarão o problema de perder objetos detectados a uma distância maior. Caso um sensor não veja objetos a uma determinada distância, verifique se a luz de reflexão é suficientemente potente e se o objeto é suficientemente brilhante. Objetos altamente brilhantes e escuros às vezes são mais difíceis de ajustar ou, às vezes, precisam de um sensor totalmente diferente.

5. Impacto ambiental: umidade e temperatura

A alta umidade relativa (UR) e a temperatura ambiente severa podem afetar criticamente o desempenho do sensor, mesmo em sensores não vedados ou de baixa classificação. Se o sensor que estiver usando estiver funcionando nessas condições, talvez seja melhor usar um sensor do tipo retrorrefletivo ou um sensor com grau de proteção IP mais alto, pois ele terá maior resistência a essas condições. Nesses casos, são indicados sensores que ofereçam um nível maior de proteção ambiental ou designs de luz azul que sejam mais fracos em condições de umidade.

Ao identificar as causas básicas do mau funcionamento dos sensores e resolvê-las prontamente, você pode garantir uma operação tranquila e manter a confiabilidade dos seus sistemas de automação.