Princípio de funcionamento do sensor fotoelétrico: Um guia completo de como ele funciona

Com o ambiente em rápida mudança da Indústria 4.0, o avanço da ciência e o advento dos computadores transformaram essencialmente o chão de fábrica. Os sensores são os olhos da fábrica moderna de hoje e um dos sensores mais versáteis é o tipo de sensor conhecido como sensor fotoelétrico. Esses sensores ópticos são uma necessidade na automação industrial e oferecem a facilidade de controle e a precisão necessárias para realizar tarefas complexas. Para selecionar o sensor fotoelétrico mais adequado a ser usado em uma determinada aplicação, é importante conhecer os vários tipos de sensores fotoelétricos existentes no mercado e como esses dispositivos operam.

A presença de objetos-alvo em alta velocidade, por exemplo, garrafas de bebidas em uma esteira transportadora, a segurança de uma porta de elevador automatizada ou a verificação da posição correta de um microchip, pode ser detectada com um sensor fotoelétrico. Essas máquinas apresentam as informações vitais necessárias para tomar decisões automatizadas em diferentes linhas de produção.

Mas como esses dispositivos percebem o ambiente ao seu redor? A base do trabalho desses dispositivos está fundamentada em uma descrição completa da interação da física quântica, da engenharia óptica e da eletrônica de alta velocidade. A detecção fotoelétrica não tem contato (ao contrário dos sensores de temperatura de contato comuns ou interruptores mecânicos) e pode ser usada para detectar um objeto externo sem desgaste físico. Este tutorial é uma explicação completa de como funciona um sensor fotoelétrico, os vários tipos e as aplicações dos novos sensores que definem a tecnologia atual.

Como os sensores fotoelétricos convertem a luz em sinais elétricos

Um sensor fotoelétrico é um transdutor em seu nível mais básico. Ele transforma a energia eletromagnética, na forma de luz no espectro visível ou infravermelho, em um sinal elétrico que um CLP (Controlador Lógico Programável) pode entender para concluir a detecção da presença de objetos-alvo.

Esse processo se baseia no efeito fotoelétrico como base processo físico. Quando o elemento receptor do sensor recebe feixes de luz (fótons), eles fornecem energia aos elétrons. Quando a energia é adequada, ela empurra esses elétrons para o lado e um fluxo de corrente elétrica é produzido.

Em um sensor industrial moderno, essa conversão ocorre dentro de um fotodiodo ou um fototransistor.

1. Fóton Absorção: A luz emitida pela fonte de luz do emissor atinge a junção P-N do receptor.
2. Transportadora Geração: A energia absorvida cria pares de elétrons e buracos, que podem influenciar a corrente de base em um circuito interno do transistor.
3. Conversão de sinal: Essa alteração no estado elétrico é processada por um amplificador interno. O sensor compara os sinais ópticos com um limite predefinido. Se o brilho do LED refletido exceder esse limite, o sensor “dispara”, alterando seu estado de saída. Esse processo ocorre em um período mínimo de tempo, resultando em um tempo de resposta rápido.

Anatomia de um sensor: Emissores, receptores e circuitos internos

Um sensor fotoelétrico é uma combinação complexa de três blocos funcionais principais que definem o desempenho básico de um sensor fotoelétrico:

1. O emissor (a luz) Fonte)

Na maioria dos sensores modernos, são usados diferentes tipos de LEDs (Diodos Emissores de Luz) ou sensores a laser. Embora um LED infravermelho seja comumente empregado devido à sua capacidade de resistir à luz ambiente, a luz do laser é preferida devido à sua capacidade de longo alcance devido a um feixe altamente colimado. O conceito de sensores a laser permite um ângulo de feixe muito pequeno, o que é essencial para a detecção de peças pequenas.

2. O receptor (o detector)

A lente óptica e o fotodetector formam o elemento receptor. A lente é necessária porque focaliza os raios de luz que chegam em uma pequena superfície de detecção. O receptor também pode focalizar a luz refletida no alvo com grande precisão, ajustando a faixa de ângulo da óptica interna, e ser insensível à interferência do ambiente, incluindo o flash de telefones celulares ou a iluminação aérea de alta frequência.

3. Circuitos internos e ASIC

Depois que o detector recebe a luz emissora, o sensor interno ASIC envolve:

• Modulação/Demodulação: O emissor pulsa sua luz em uma frequência específica para evitar interferências.
• Amplificação: Aumentar os micro-sinais em uma corrente elétrica utilizável.
• Ajuste de sensibilidade: Permitindo que os usuários excluam partículas menores, como poeira, enquanto ainda capturam o objeto externo.

Dominando os três modos de detecção padrão e suas vantagens e desvantagens

O modo de operação de um sensor é determinado pela posição do emissor e do receptor. Há três tipos principais de sensores fotoelétricos aplicados no setor:

Feixe de passagem (oposto)

O emissor e o receptor são unidades separadas. O sensor é ativado pela ausência de um objeto entre eles; quando um objeto passa por eles, o feixe é interrompido. Versões especializadas disso incluem a cortina de luz; as aplicações das cortinas de luz de segurança são muito comuns na proteção de trabalhadores contra braços robóticos.

• Prós: Funciona em longas distâncias (até 100 m ou mais); a mais alta confiabilidade em ambientes operacionais difíceis.
• Contras: Requer fiação em dois locais diferentes.

Tipo de refletor (retrorrefletivo)

O receptor e o emissor são alojados juntos. A luz emitida é direcionada a um “refletor” especial e refletida de volta. Uma versão de alta precisão é o sensor de garfo, em que o emissor e o receptor são pré-alinhados em um compartimento em forma de U.

• Prós: Requer fiação em apenas um lado; cobre uma ampla faixa.
• Contras: Pode ser enganado por objetos brilhantes, a menos que esteja polarizado.

Tipo refletivo difuso

Semelhante ao tipo reflexivo, mas sem refletor. O sensor aguarda até que a luz retorne do próprio alvo. Em espaços apertados, a aplicação de cabos de fibra óptica permite que a luz alcance o alvo por meio de um conduíte fino e flexível.

• Prós: Instalação mais fácil, sem peças secundárias.
• Contras: Depende muito das diferentes propriedades físicas do objeto, como cor e textura.

Tabela de comparação: Modos de detecção padrão e aplicações industriais

Tecnologia avançada: Supressão de fundo e modos de detecção especializados

À medida que os desafios da automação aumentam, os diferentes tipos de sensores se tornam mais especializados.

Supressão de fundo (BGS)

Os sensores BGS resolvem o maior ponto fraco dos sensores difusos: “ver” uma parede ou parte da máquina atrás do alvo. Usando o Princípio da triangulação, Em um sensor BGS, ele não mede apenas a intensidade da luz; ele interpreta a diferença de distância detectando o ângulo específico em que a luz retorna ao elemento receptor. Esse cálculo geométrico permite que o sensor seja programado para identificar um objeto a 50 mm e ignorar totalmente uma parede branca brilhante a 60 mm, independentemente da cor ou do brilho do fundo.

Sensores de marca de cor e de contraste

O sensor de cores usa LEDs RGB para atuar como dispositivos de reconhecimento de cores. Eles são essenciais para a detecção de diferenças de contraste, como a identificação de uma marca de registro preta em um filme de embalagem azul escuro.

Feixe convergente

O tipo reflexivo convergente focaliza os feixes do emissor e do receptor em um único ponto fixo no espaço. Isso permite a detecção de objetos muito pequenos, como a borda de um wafer, ignorando todo o resto antes ou depois desse ponto focal.

Fatores críticos de seleção: Material do alvo, distância e ambiente

A escolha do sensor depende de um profundo conhecimento da física do ambiente do aplicativo, pois as variáveis externas podem ter um grande impacto no comportamento da luz.

1. Refletividade e cor

Cada material tem um “fator de refletividade” exclusivo. Em modos ou tipos de reflexão difusa, uma superfície branca fosca pode refletir 90% da luz de volta para o receptor, enquanto uma superfície preta fosca pode refletir menos de 5%, absorvendo o restante como calor. Isso reduz drasticamente a distância de detecção efetiva para objetos escuros. Por outro lado, superfícies “espelhadas” altamente refletivas (reflexão especular) podem causar “falsos positivos” em sensores retrorrefletivos, pois refletem o feixe de volta da mesma forma que o refletor alvo faria. Para combater isso, filtros polarizados são usados para garantir que o receptor reconheça apenas a luz que foi “despolarizada” por um refletor de cubo de canto, ignorando efetivamente o brilho de metal ou plástico brilhante.

2. Tamanho e forma do alvo

Para garantir que um sensor seja acionado, o alvo precisa ser grande o suficiente para bloquear ou refletir uma quantidade considerável do feixe de luz. Quando o feixe de luz é mais largo do que o objeto, por exemplo, um fio fino ou uma agulha, alguma luz pode vazar pelas bordas e o receptor não conseguirá detectar uma mudança de estado. Em tais situações, são necessários sensores baseados em laser, pois os feixes dos sensores baseados em laser são altamente colimados e têm um feixe fino como uma agulha que pode ser totalmente interrompido por microcomponentes. Além disso, a forma é importante; superfícies angulares ou esféricas podem desviar a luz do receptor (reflexão de Fresnel), exigindo configurações de ganho mais sensíveis.

3. Ambiental Ruído e excesso de ganho

Os ambientes industriais raramente são “limpos”. Os contaminantes transportados pelo ar, como poeira, vapor, névoa de óleo ou spray pesado, dispersam e atenuam a energia luminosa. Para operar em meio a esse “ruído”, os engenheiros analisam Ganho Excessivo-a proporção de energia luminosa realmente recebida em comparação com a energia mínima necessária para acionar o sensor. O alto ganho excedente serve como energia de reserva. O padrão ouro para condições adversas são os sensores de barreira, pois a luz precisa atravessar a névoa apenas uma vez. Os sensores reflexivos, por outro lado, precisam atravessar os contaminantes duas vezes (até o alvo/refletor e vice-versa), o que dobra a perda de sinal e expõe o sensor ao risco de falha.

Esses são aspectos físicos complicados que um parceiro que tenha demonstrado experiência. Desde que 1986, OMCH tem preenchido a lacuna entre a teoria óptica avançada e a realidade grosseira do setor. Nossos projetos do melhor sensor fotoelétrico têm mais de 72.000 clientes em mais de 100 países, e foram otimizados para resolver determinados problemas, como interferência de zona cega e desordem de fundo.

Para resolver os complexos problemas de refletividade mencionados acima, a OMCH desenvolveu mais de 3.000 SKUs especializados que se baseia na confiabilidade e no fácil controle. Todos os sensores OMCH são testados em um processo de três fases, incluindo inspeção de entrada, de processo e final, em nossa Fábrica modernizada de 8.000 m². Os produtos da OMCH estão disponíveis em um sensor BGS programado para ignorar fundos brilhantes ou em um modelo de feixe passante com alto ganho excessivo para se adequar a ambientes com muita poeira, e estão disponíveis de acordo com padrões globais como ISO9001, CE, RoHS e CCC. A OMCH oferece o desempenho perfeito de milissegundos com suporte técnico rápido 24 horas por dia, 7 dias por semana, o que garante que sua infraestrutura crítica permanecerá operacional, independentemente da complexidade do ambiente de detecção.

Decifrando a lógica NPN, PNP e Light-on vs Dark-on

Depois que o sensor detecta um objeto, ele precisa se comunicar com o controlador. Isso envolve dois conceitos elétricos importantes.

NPN vs. PNP (a “polaridade”)

Isso se refere ao tipo de transistor usado no estágio de saída:

• NPN (afundamento): O sensor conecta a carga ao trilho negativo (0V). Mais comum na Ásia e em muitos PLCs japoneses.
• PNP (fornecimento): O sensor conecta a carga ao trilho positivo (+V). Esse é o padrão na Europa e na América do Norte.

Luz acesa vs. escuridão acesa (a “lógica”)

Isso determina quando o sinal de saída está ativo:

• Luz acesa: A saída é “ON” quando o receptor vê luz. (Típico para sensores difusos).
• Escuro: A saída é “ON” quando o feixe de luz é interrompido. (Típico para sensores de feixe de luz).
• Os sensores modernos geralmente apresentam um “fio de controle” ou um interruptor que permite ao usuário alternar entre esses dois modos, oferecendo maior flexibilidade no campo.

Guia de solução de problemas: Solução de problemas comuns de disparo falso

Mesmo os sensores mais bem projetados podem ter dificuldades no campo. O primeiro passo para o conserto é saber o porquê da falha:

• Interferência mútua: Se dois sensores forem colocados muito próximos um do outro, o receptor do Sensor A poderá “ver” o emissor do Sensor B.
  • Solução: Posicione os sensores mais afastados ou troque as posições do emissor/receptor para que fiquem em direções opostas.
• Contaminação da lente: A poeira ou a película de óleo dispersa o feixe, levando a sinais intermitentes.
  • Solução: Use sensores com um LED “Indicador de estabilidade” que pisca quando o sinal de luz está ficando perigosamente fraco.
• Interferência de luz ambiente: A luz solar intensa ou a iluminação LED de alta frequência podem, ocasionalmente, contornar os filtros do sensor.
  • Solução: Use um sensor com melhor “rejeição de luz difusa” ou adicione uma cobertura física simples ao receptor.

O futuro do sensoriamento: IO-Link e diagnósticos inteligentes

Esses dispositivos estão sendo modificados pelo surgimento de protocolos de comunicação óptica, como o IO-Link. As funções dos novos sensores possibilitam a transmissão de dados em tempo real sobre o brilho do LED ou a temperatura interna. Essas informações podem ser usadas para manutenção preditiva, em que a identificação da existência de objetos-alvo não é interrompida.

Em vez de apenas emitir “Sim/Não”, um sensor habilitado para IO-Link pode transmitir dados em tempo real sobre sua saúde, como, por exemplo:

• Temperatura interna: Detecção de superaquecimento antes da falha.
• Níveis de ganho do receptor: Alertar a equipe de manutenção de que a lente está ficando suja antes de ele parar de funcionar (Manutenção Preditiva).
• Configuração remota: Alteração da sensibilidade ou da lógica do sensor por meio do software do CLP sem tocar no hardware.

Com o avanço para uma fabricação mais autônoma, a incorporação de protocolos de comunicação digital garantirá que os sensores sejam as partes mais confiáveis e inteligentes da linha de montagem moderna.

Conclusão

O princípio de funcionamento dos sensores fotoelétricos, ou seja, como a luz é transformada em um quantum e como a lógica das saídas NPN/PNP é obtida, é um dos requisitos básicos de qualquer engenheiro ou técnico na esfera da automação. Com a seleção correta do modo de detecção e a compreensão das variáveis ambientais no trabalho, é possível desenvolver sistemas mais rápidos, mais seguros e mais eficientes.