Guia definitivo para tipos de sensores fotoelétricos: Do básico à IIoT

Os sensores fotoelétricos se desenvolveram muito mais do que interruptores on/off na era da Indústria 4.0. Eles evoluíram para se tornarem unidades de detecção de precisão de análise de alta frequência, feedback digital e adaptação a ambientes extremos. Para os engenheiros elétricos, a chave do molho secreto para garantir a eficácia geral do equipamento (OEE) está na lógica física e nos limites de aplicação de vários tipos de sensores. Este blog, com o apoio de insights de especialistas da Eaton, explora em detalhes o ambiente técnico dos olhos fotográficos, começando com a arquitetura física e a seleção de produtos.

Como funcionam os sensores fotoelétricos: A Física Básica Simplificada

Fundamentalmente, o funcionamento de um sensor fotoelétrico é um experimento de alta precisão na captura e conversão de fótons. O processo principal pode ser subdividido em: excitação de energia, emissão controlada, propagação espacial, interação física e análise lógica.

Do ponto de vista estrutural, a extremidade de emissão depende de um diodo emissor de luz (LED) ou de um diodo laser (LD) para produzir uma luz vermelha ou um feixe visível. Por meio de um circuito de modulação, o emissor envia uma coluna de luz pulsada de alta frequência em um ciclo de trabalho específico. Essa modulação é fundamental, pois permite que o elemento receptor, que contém elementos detectores especializados, use um filtro passa-banda para identificar com precisão sua própria frequência de sinal em meio ao “ruído” da luz de fundo do ambiente.

A atenuação da luz durante o estágio de propagação é baseada em modelos físicos complicados. Em aplicações de feixe de luz, a distribuição de energia do ponto de luz é normalmente uma distribuição gaussiana. O fotodiodo no receptor emprega o efeito fotovoltaico para transformar o fluxo de fótons em uma medida de energia por meio de uma corrente elétrica de nível microampere.

Para uma detecção precisa, devemos nos concentrar na métrica Excesso de ganho. Essa é a relação entre a quantidade de energia luminosa realmente recebida e a quantidade mínima de energia luminosa necessária para acionar a saída. A fórmula é a seguinte:

Se o ganho excessivo for > 1, o sensor fornecerá uma saída estável. Em ambientes com muita poeira, os engenheiros devem selecionar modelos com um ganho excessivo de 10 a 100 vezes (como os tipos de feixe passante) para compensar a perda de energia causada pelo meio no caminho do sensor.

Tipos de sensores fotoelétricos: Classificação completa

Os principais tipos de sensores fotoelétricos são classificados de acordo com a configuração do eixo óptico e a interação com o objeto-alvo. Os engenheiros precisam ter um conhecimento profundo desses modos de detecção para escolher entre sensores de proximidade e ópticos de longo alcance:

1. Through-Beam: o auge do longo alcance e da alta redundância

Os sensores de feixe passante são dispositivos físicos que separam fisicamente o emissor e o receptor para formar um eixo óptico reto entre eles.

• Mecanismo profundo: O feixe efetivo é direcionado para a lente receptora sem nenhuma perda de reflexão, resultando na maior intensidade de sinal possível. Como ele utiliza todo o feixe efetivo, é praticamente independente da cor ou das condições da superfície do alvo.
• Detalhes de engenharia: Ao instalar feixes de passagem de longa distância (por exemplo, 50 m a 100 m), é preciso levar em conta Difração. Se um alvo minúsculo obstruir menos de 30% do feixe, as ondas de luz poderão “dobrar” em torno do objeto, como a água em torno de uma pedra, impedindo que o receptor detecte uma alteração. Nesses casos, uma “fenda” (abertura) deve ser adicionada para comprimir o diâmetro do feixe ou uma fonte de laser deve ser usada.

2. Retro-reflexivo: Equilíbrio espacial e filtragem de polarização

O emissor e o receptor são integrados em um único lado, e o feixe é retornado por um refletor (que consiste em um número infinito de microprismas ou cubos de canto).

• Polarização: Essa é uma variação de alta qualidade. Os sensores retrorrefletivos padrão são facilmente acionados por superfícies espelhadas altamente refletivas (como vidro polido ou aço inoxidável). Os sensores avançados apresentam filtros polarizadores perpendiculares entre si.
• Lógica de filtragem física: A luz polarizada horizontal emitida pelo sensor é “despolarizada” em luz polarizada vertical pelo refletor, permitindo que ela passe pelo filtro do receptor. Entretanto, a luz refletida em um alvo espelhado mantém sua fase e é bloqueada pelo filtro. Esse mecanismo de reconhecimento de fase elimina a interferência do espelho na raiz física.

3. Refletivo difuso: A aposta da flexibilidade versus o material

Esse modo utiliza a luz dispersa refletida diretamente da superfície do alvo. É o mais fácil de instalar, mas o mais dependente das propriedades do material.

• Modelagem de energia e Atenuação: A distância de detecção D é não linearmente proporcional à refletividade rho do alvo. As distâncias de detecção padrão geralmente são definidas com base em papel branco com refletividade de 90%. Se estiver detectando borracha preta ou fibra de carbono (refletividade de aproximadamente 6%-10%), a distância de detecção cai vertiginosamente.
• Limite do aplicativo: Os engenheiros devem consultar as “Tabelas de fatores de correção de material”.”

4. Supressão de fundo (BGS): Medição de geometria espacial

Um desenvolvimento da tecnologia difusa, o BGS não avalia a intensidade da luz, mas o Princípio de Triangulação para ignorar objetos de fundo.

• Estrutura física: O receptor usa uma matriz CMOS ou PSD (Dispositivo sensível à posição). Ele determina a distância detectando a mudança na posição física do ponto de luz refletido na matriz interna.
• Núcleo Valor: Ele pode “cortar” o fundo com precisão. Embora o alvo possa ser colocado diretamente na frente de uma estrutura metálica reflexiva maior que seja mais brilhante, o sensor não disparará a menos que o objeto esteja na faixa de detecção predefinida. É a única resposta constante para o dilema do objeto escuro em um fundo claro.

5. Feixe convergente: precisão para espaços minúsculos e chapas finas

Por meio de um design de lente especializado, a luz emitida e os campos de visão do receptor são forçados a se cruzar em um ponto focal específico e minúsculo, oferecendo maior precisão.

• Características técnicas: Ele responde apenas a objetos no ponto focal (por exemplo, fixado em 20 mm).
• Uso prático: Ideal para detectar alturas de componentes em PCBs, bordas de wafer ou distinguir camadas de filme fino em espaços extremamente confinados.

6. Detecção clara de objetos: Otimizado para materiais de alta transparência

Especialmente criado para trabalhar com materiais como vidro de alta claridade, garrafas PET ou filmes transparentes.

• Princípio: Utiliza circuitos ópticos mais sensíveis e tecnologia de compensação automática. Ele pode ser acionado quando o feixe de luz é atenuado por um objeto transparente em apenas 10%.
• Controle automático de limite (ATC): Esses sensores rastreiam quedas graduais de energia causadas por contaminação suficiente das lentes e ajustam automaticamente o limite de alarme, evitando paradas na linha de produção devido a um pequeno acúmulo de sujeira.

7. Fibra óptica: Extensão digital para ambientes extremos

Usa fibras plásticas ou de vidro para dobrar o feixe de luz até o ponto de detecção, e o amplificador (sistema eletrônico) é montado remotamente.

• Engenharia Valor: As cabeças de fibra não possuem peças eletrônicas e podem ser usadas em temperaturas de até 300 graus Celsius. As pontas das fibras podem ser tão finas quanto uma agulha (diâmetro <1 mm).
• Imunidade eletromagnética: Como ele transmite sinais de luz pura, oferece estabilidade inigualável em ambientes com forte EMI, riscos explosivos ou alto vácuo.

8. Área / Grade de luz: Proteção contra erros e segurança

Composto por uma matriz de vários eixos de feixe passante, formando um plano de detecção bidimensional.

• Função lógica: Ele não detecta mais um único “ponto”, mas um “plano”. Comumente usado em logística para detectar pacotes com formatos irregulares ou como cortinas de luz de segurança para máquinas, utilizando lógica de vários eixos para redundância e segurança.

Solução de desafios complexos com os sensores BGS

A tecnologia BGS é a tecnologia negra do mundo difuso. Ela eleva a dimensão do sensor da medição da intensidade da luz para a medição da geometria espacial.

Os sensores difusos tradicionais não conseguem diferenciar entre um objeto que está próximo e escuro e um objeto que está distante e claro devido à possibilidade de a intensidade da luz refletida de volta para o sensor ser a mesma. Os sensores BGS resolvem esse problema por meio da triangulação.

À medida que um objeto se desloca na faixa do conjunto, a localização física da luz refletida no CMOS varia. Esse deslocamento é calculado pelo chip DSP interno de alta velocidade para obter as coordenadas precisas do objeto.

• Vantagem física: Independentemente de o objeto ser preto que absorve a luz ou branco que reflete, desde que sua posição física esteja além do valor predefinido de “Distância de corte,” o sensor permanece silencioso. Essa é a única solução estável quando montado na lateral de uma correia transportadora com uma estrutura metálica vibratória ao fundo.

Soluções especializadas para setores comuns

Não existe um sensor universal no mundo real da automação industrial. Os setores exigem extrema durabilidade física, frequências ópticas e algoritmos anti-interferência.

Glass & Packaging - O desafio da transparência

A maior dor de cabeça ao identificar vidro cristal de alta qualidade ou embalagens PET de alta transparência é que a luz penetra no alvo quase 100% e o receptor tem variações de energia insignificantes.

• Ponto de dor: Os sensores retrorrefletivos padrão podem ver apenas uma queda de luz de 5% quando há vidro presente. Qualquer poeira pequena pode causar “passagens falsas” ou vibração do sinal.
• Soluções Deep Tech:
  • Algoritmos de baixa histerese: Sensores especializados capazes de capturar quedas de intensidade de luz tão baixas quanto 10%.
  • Tecnologia Adaptativa DPAC: O acúmulo de poeira causa desvio de sinal ao longo do tempo. O DPAC permite que o sensor redefina automaticamente a linha de base “vazia”, garantindo que o limite permaneça relativo ao plano de fundo e evitando alarmes falsos.
  • Estrutura óptica coaxial: Para evitar erros de refração causados pela vibração da garrafa, os sensores coaxiais (em que a emissão e a recepção estão exatamente na mesma linha) eliminam pontos cegos e garantem a precisão nos gargalos ou fundos das garrafas.

Alimentos e produtos farmacêuticos - Higiene extrema e lavagem de alta pressão

O teste aqui não é a dificuldade de detecção, mas “capacidade de sobrevivência”.” Esses ambientes são repletos de produtos de limpeza químicos de alta concentração e lavagens frequentes com água quente.

• Ponto de dor: Os invólucros de plástico padrão racham sob lavagens de alta pressão a 80°C ou corroem sob ácidos/alcalis fortes.
• Soluções Deep Tech:
  • IP69K e aço inoxidável 316L: As carcaças devem ser feitas de aço inoxidável 316L de grau médico que pode ser soldado a laser. Isso pode resistir a 100 bar de pressão e não deixa nenhuma zona morta onde as bactérias possam se desenvolver.
  • Lentes de vidro e design sem rótulo: Troque o plástico por vidro temperado resistente a produtos químicos. Use marcação a laser em vez de adesivos para evitar que os rótulos se soltem e contaminem a linha de alimentos.
  • Ampla faixa de temperatura: Para embalagens de cadeia fria, os recursos anticongelamento são essenciais para garantir que as lentes não embaçam durante os frequentes ciclos de frio/calor.

Indústria pesada e metalúrgica - calor elevado, poeira e óleo

Os ambientes de aço, mineração e metalurgia estão repletos de poeira condutiva, spray de líquido de arrefecimento e temperaturas que chegam a centenas de graus.

• Ponto de dor: As placas de circuito falham com o calor e as lentes são rapidamente cegadas por óleo espesso ou sujeira.
• Soluções Deep Tech:
  • Separação remota de fibras: Coloque o amplificador frágil em um gabinete elétrico remoto e use cabeçotes de fibra de vidro blindados de aço inoxidável para alcançar a zona de calor do núcleo (capaz de suportar 350 graus Celsius).
  • Capuzes de sopro de ar: Instale uma cortina de ar de pressão constante na frente da lente. Isso usa a dinâmica de fluidos para evitar a aderência de poeira e gotículas de óleo, ampliando os ciclos de limpeza em mais de 10 vezes.
  • Alta redundância através do feixe: Em áreas com fumaça/poeira, podem ser usados feixes de passagem de ganho excessivo ultra-alto, que podem ser acionados mesmo quando 90% do feixe estiver obscurecido pela névoa.

Logística e armazenamento - Sensoriamento em grande escala

A logística enfatiza a classificação em alta velocidade, a imunidade à luz ambiente e a facilidade de instalação.

• Ponto de dor: Iluminação intensa do armazém em LED, pacotes pretos em movimento rápido e paletes de formato irregular.
• Soluções Deep Tech:
  • Grades de luz de detecção de área: As grades de luz são usadas no caso de pacotes irregulares (como sacos plásticos macios) para escanear todo o plano, e todo o plano é contado corretamente, independentemente da orientação do pacote.
  • Codificação anti-interferência: Quando centenas de sensores são montados lado a lado, a diafonia é fatal. Os sensores modernos têm uma codificação de pulso exclusiva para garantir que eles respondam apenas à sua luz.
  • BGS Transportador Corte: Não sinta o fundo preto do transportador de alta velocidade para reduzir a carga de dados no PLC.

Laser vs. LED: Escolhendo a fonte de luz certa

A escolha de uma fonte de luz é uma troca entre Densidade de energia e Tolerância.

Fonte de LED (luz incoerente): O alicerce da estabilidade

• Propriedades físicas: O ponto de luz diverge em um formato de cone. Normalmente, o ponto tem de 10 a 15 mm de largura a 100 mm. Essa rugosidade é, de fato, uma grande vantagem na maioria das situações.
• Lógica e benefícios:
  • Vibração Tolerância: Como o ponto é grande, o receptor ainda recebe sinal suficiente quando o suporte do sensor vibra um pouco ao operar em alta velocidade.
  • Ignorando falhas: Como o ponto é grande, o receptor ainda recebe sinal suficiente quando o suporte do sensor vibra um pouco ao operar em alta velocidade.
  • Tempo de vida: Os sensores de LED são simples de usar e mais tolerantes ao calor, por isso são a melhor opção em linhas de logística 24 horas por dia, 7 dias por semana.

Fonte de laser (luz coerente): Extrema precisão e alcance

Recursos de luz laser Colimação e monocromática.

• Propriedades físicas: O feixe é quase paralelo (divergência <0,1 grau). Mesmo a 10 metros, o ponto permanece em um nível milimétrico.
• Lógica e cenários:
  • Posicionamento submilimétrico: Detecção de wafers de 0,5 mm ou marcas oculares de 0,5 mm em máquinas de embalagem de alta velocidade (600 m/min).
  • Longo alcance: Mantém uma alta relação sinal/ruído em 100 metros para alarmes de perímetro.

Tabela de comparação: Tomada de decisão orientada por dados

Fatores críticos de seleção: Além de apenas distância e velocidade

Para obter “zero alarmes falsos” e “longa vida útil”, você deve observar as variáveis ocultas por trás da folha de dados.

1. Propriedades físicas do alvo: Definição do teto de detecção

• Refletância espectral e cor Atenuação: Na detecção difusa, um alvo preto reflete apenas 6%-10% da luz. Quando o plano de fundo é um metal brilhante, é necessário usar o BGS para que o plano de fundo não sobrecarregue o sinal do alvo.
• Transparência e penetração de feixe: Para detectar uma pequena redução de energia (10%) em vidro ou filme ultraclaro, são necessários sensores de baixa histerese e ATC.
• Geometria de superfície: Esferas brilhantes ou inclinações desviam a luz. Nessas situações, as fontes de LED de ponto grande não são tão perigosas quanto os lasers de precisão para garantir que alguma luz seja refletida de volta para o receptor.

2. “Ruído” ambiental e ganho excessivo: Definição de estabilidade

• Curva de ganho excessivo: Não olhe apenas para a distância nominal; olhe para o ganho a essa distância. Em zonas empoeiradas, você precisa de um modelo em que o ganho ainda seja >10 ou até >50 na distância-alvo. Isso garante que o sistema funcione mesmo que a lente esteja coberta de sujeira.
• Imunidade à luz ambiente: Claraboias de fábrica ou LEDs de alta frequência podem saturar receptores baratos. Os sensores profissionais usam modulação de pulso síncrono para manter a precisão abaixo de 30.000 Lux.
• EMC: Os cabos de alta potência do motor geram interferência. Certifique-se de que seus sensores tenham blindagem reforçada e proteção contra surtos.

3. Margens mecânicas e controle de histerese

• Histerese: O espaço físico entre os pontos “On” e “Off”. Para alvos vibrantes ou ásperos, você precisa de uma histerese de 10%-20% da distância de detecção para evitar a “vibração” do sinal.”
• Restrições espaciais: Em braços robóticos apertados, mude para Fibra óptica ou Vista lateral Projetos. Os cabeçotes de fibra são fáceis de lidar com problemas de espaço e pontos cegos mecânicos.

4. Resposta dinâmica e consistência lógica

• Frequência e Ciclo de trabalho: Ao lidar com objetos pequenos (por exemplo, pinos de 1 mm) em altas frequências, certifique-se de que a resposta de frequência do sensor seja rápida o suficiente para amostrar o alvo várias vezes durante a janela de passagem.
• Proteção de saída: Verifique se a saída tem Curto-circuito e Proteção contra polaridade reversa. Isso evita que um simples erro de fiação queime um controlador caro.

Por que o Soft Power da cadeia de suprimentos é um padrão essencial?

A certeza da cadeia de suprimentos é o último critério de desempate quando as especificações técnicas coincidem. Essa é a razão pela qual a OMCH surgiu como a melhor opção para mais de 72.000 clientes em todo o mundo.

• Confiabilidade ciclo a ciclo: A OMCH foi fundada em 1986. Com 40 anos de tradição, passamos por todas as falhas que podem ser encontradas no mundo da automação. Essa experiência é convertida em redundância de projeto, o que garante uma operação consistente em resposta a mudanças de tensão ou variações extremas de temperatura.
• One-Stop Synergy Mais de 3.000 SKUs: Não é necessário fazer patchwork. A OMCH tem mais de 3.000 modelos, incluindo chaves fotoelétricas e de proximidade, fontes de alimentação, relés e peças pneumáticas. Usar a OMCH garantirá que seus cabos e suportes tenham o tamanho certo e que você não terá nenhuma incompatibilidade de tamanho ou protocolo.
• Autoridade de Certificação Internacional: As certificações são fundamentais para os exportadores de equipamentos. Os produtos da OMCH estão em conformidade com as normas ISO9001, CE, RoHS, CCC e IEC. Esses não são meros logotipos, são garantias de qualidade desenvolvidas por 7 linhas de produção e um rigoroso procedimento de inspeção de 3 níveis IQC/IPQC/OQC em nossa fábrica de 8.000 m².
• A distância física do serviço: A produção da indústria não pode parar. A OMCH tem redes de vendas em mais de 100 países e oferece suporte técnico 24 horas por dia, 7 dias por semana. Pode ser uma fábrica de montagem na Ásia ou uma linha de embalagem na Europa, mas a nossa garantia de 1 ano e a entrega rápida (15 dias para amostras, 45 dias para pedidos) lhes darão a segurança psicológica necessária.

Explicação dos tipos de saída: NPN vs. PNP e Light-ON vs. Dark-ON

O emparelhamento elétrico correto é o pré-requisito para a funcionalidade.

1. Lógica do transistor: NPN vs. PNP

• NPN (Afundando): A carga se conecta entre o trilho positivo e a saída. Quando acionado, o sensor puxa a saída para o terra (0V). Comum na Ásia.
• PNP (Sourcing): A carga é conectada entre o trilho negativo e a saída. Quando acionado, o sensor bombeia +24 V para a carga. Comum na Europa por motivos de segurança (um curto-circuito com o terra não acionará um sinal falso).

2. Modos de ação: Luz-ON vs. Escuro-ON

• Luz acesa: A saída fecha quando o receptor vê luz acima do limite.
• Dark-ON: A saída fecha quando o receptor está “escuro” (feixe bloqueado).
• Em aplicações de segurança por feixe de luz, o Light-ON é preferível para que um cabo de alimentação rompido seja interpretado como um estado “bloqueado”, parando a máquina.

Preparado para o futuro com IO-Link e diagnósticos inteligentes

O futuro é Dados. IO-Link transformou os sensores de interruptores em nós de dados.

• Atribuição de parâmetros digitais: O técnico não precisa usar uma chave de fenda para ajustar um potenciômetro, o PLC pode mover as novas distâncias de detecção para todos os sensores em 1 segundo durante uma troca de produto.
• Preditivo Manutenção: Os sensores são capazes de fornecer feedback de sua margem de ganho. Caso a sujeira diminua o sinal em 100 a 40%, o sensor transmite uma solicitação de limpeza por meio do IO-Link antes que a linha realmente falhe.

Solução rápida de problemas: Erros comuns de configuração

1. Diafonia: Dois feixes de passagem instalados lado a lado onde o Emissor A atinge o Receptor B.

Solução: Faça a montagem cruzada (emissor próximo ao receptor) ou use sensores com frequências mutuamente exclusivas.

2. Difração de objetos pequenos: Fios muito finos podem permitir que a luz se “dobre” ao redor deles.

Solução: Use uma fonte de laser ou adicione uma fenda de abertura.

3. Ganho Saturação: Em um sistema retrorrefletivo, o refletor está muito próximo, e a energia pode saturar o amplificador e ele não conseguirá ver objetos de alta transparência.

Solução: Diminua a sensibilidade ou use um sensor com controle automático de ganho.