Aktuální vydání

celé číslo

07

2020

Řízení distribučních soustav a chytrá města

Měření a monitorování prostředí v budovách a venkovním prostředí

celé číslo

Optické závory pro detekci objektů

Optická závora je jedním z nejčastěji používaných prostředků ke snímání předmětů v automatizaci výrobních procesů. Existuje mnoho různých typů optických závor a jejich použití. V tabulce přehledu trhu na následující straně je shrnuta nabídka optických závor pro detekci, které jsou k dispozici v České republice. V zásadě jsou používány dva typy závor: jednocestná optická závora a reflexní optická závora. Oba typy jsou dodávány v různých modifikacích, popsaných v tomto článku, který je zároveň zjednodušeným průvodcem uvedenou skupinou optoelektronických snímačů.
 

Jednocestná optická závora

 
Jednocestné optické závory se skládají z vysílací a přijímací jednotky, které jsou umístěny na protilehlých stranách snímací cesty. Snímaný předmět přerušuje světelný paprsek a způsobuje sepnutí přijímače. Snímání není ovlivněno vlastnostmi povrchu snímaného objektu. Toto provedení optické závory je nejvhodnější do nepříznivého prostředí, kde se vyskytuje prach, vlhko, oleje apod. Dosah snímání jednocestných optických závor je až 60 m.
 
Přijímač a vysílač mohou mít válcový tvar od průměru M8 × 1 po M30 × 1,5 nebo tvar kvádru nejrůznějších rozměrů. Speciálním typem jsou tzv. vidlicové závory, jejichž vysílač i přijímač jsou umístěny v jednom pouzdru tvaru U. Tato verze je určena pro speciální případy použití, např. na balicích linkách nebo v automobilovém průmyslu.
 
V místech, kde je minimální prostor pro montáž snímače, je vhodné použít závoru, která má v místě snímání jen optickou hlavu propojenou se spínací jednotkou světlovody s optickými vlákny. Optické hlavy se vyrábějí v nejrůznějších tvarech a rozměrech, aby vyhověly i těm nejsložitějším případům použití.
 
Jednocestné závory využívají červené, infračervené a laserové světlo. Laserové jednocestné závory jsou používány ke snímání velmi malých předmětů, např. na vzdálenost 30 m rozliší předmět o průměru 2 mm, zatímco na vzdálenost 3 m dokážou ve snímaném prostoru identifikovat předmět o velikosti 50 μm.
 

Reflexní optická závora

 
Vysílač a přijímač reflexních optických závor jsou umístěny v jedné rovině ve společném pouzdru. Na protilehlé straně snímací cesty je nainstalována odrazka, která odráží paprsek z vysílače zpět do přijímače. Snímaný objekt přeruší odražený světelný paprsek a způsobí změnu stavu výstupního signálu přijímače. Dosah závory tohoto typu může být až 20 m.
 
Na rozdíl od jednocestné závory zde hraje důležitou roli povrch snímaného předmětu, resp. jeho odrazivé vlastnosti. Část světla vysílaného reflexními optickými systémy se totiž odrazí do přijímače od snímaných objektů s lesklým povrchem, tedy součástí z korozivzdorné oceli, hliníku, ale i ze skla a jiných materiálů. Jednoduché (a tedy i levné) reflexní optické závory nemusí příliš spolehlivě rozlišovat, které světlo dorazilo od odrazky. Proto je většina reflexních závor vybavena polarizačním filtrem, který ponechá ve světelném svazku pouze paprsky s jedním směrem polarizace. V součinnosti s odrazkou, opatřenou zrcadlem s optickými hranoly, zamezí polarizační filtry falešným odrazům od snímaného objektu.
 
Pro přesnější snímání zejména menších objektů se používají snímače s autokolimací. Zatímco běžné snímače reflexních závor mají dvě samostatné optické osy pro vysílač a přijímač, u snímače s autokolimací pracuje vysílač i přijímač se společnou čočkou, tedy s jednou optickou osou. Vysílané světlo prochází rozdělovacím zrcadlem a čočkou na odrazku. Odražené světlo se vrací zpět do stejné čočky a přes rozdělovací zrcadlo do přijímače. Tím se dosahuje paprsku s malým kruhovým profilem, a proto má snímač lepší rozlišení. Další výhodou je skutečnost, že tyto snímače nemají „mrtvou“ oblast pro snímání ani pro umístění odrazky a jejich spínací charakteristika je nezávislá na směru přiblížení.
 
I reflexní závory mohou být dodávány v provedení s oddělenou optickou hlavou připojenou ke spínací jednotce světlovody s optickými vlákny. V tomto případě vedou do jediné optické hlavy vlákna jak od vysílače, tak i od přijímače. Proti optické hlavě se umístí běžná odrazka, popř. odrazná samolepicí fólie.
 

Příklady použití

 
Na obr. 1 jsou uvedeny příklady použití optických závor k detekci objektů. Na obr. 1a kontroluje jednocestná optická závora, zda není zlomen vrták nebo hrot brousicího nástroje. Kontrolovat stav je možné na vzdálenost 2 až 3 m. Při použití červeného světla lze rozeznávat vrtáky od průměru asi 2 mm. Použije-li se laserové světlo, lze kontrolovat nástroje již od průměru 0,1 mm.
 
Na obr. 1b je znázorněno snímání hladiny v průhledných nádobách. Spínací jednotka spojená s optickými hlavami světlovody s optickými vlákny může být použita pro kontrolu úrovně kapaliny v průhledných nádobách. Jestliže kapalina není v úrovni paprsku, světlo prochází do přijímače. Je-li kapalina dostatečně vysoko, paprsek se přeruší a stav výstupu se změní.
 
Jednocestná závora na obr. 1c se používá při kontrole obsahu průhledných balení. Vysílač a přijímač jsou nastaveny tak, aby světlo procházelo, když je balení prázdné. Jestliže balení obsahuje výrobek, je paprsek přerušen a výstup snímače se aktivuje.
 
Optické závory se často používají ke třídění dílů. Na obr. 1d je ukázáno třídění dílů různé výšky pomocí jednocestné optické závory. Vyšší díly přeruší paprsek a mohou být vyřazeny.
 
Na obr. 1e je ukázáno použití optické závory při počítání průhledných lahví, které absorbují velmi málo světla. Pro jejich spolehlivé snímání je proto vhodné zvolit reflexní optické závory s malou hysterezí. Je-li použit snímač s nastavením teach-in, lze měnit nastavení dokonce i v průběhu běžícího výrobního procesu.
Karel Šikut, Balluff CZ
 
Obr. 1a – kontrola zlomení vrtáku, b – snímání úrovně hladiny v průhledných nádobách, c – kontrola obsahu průhledných balení, d – třídění dílů, e – počítání průhledných lahví