Zasada działania czujników optycznych, zwanych również optoelektronicznymi bądź fotoelektrycznymi, jest dosyć prosta i bazuje na wiązce promieni świetlnych, która jest wysyłana od nadajnika do odbiornika. Jeżeli wiązka ta zostanie przecięta przez jakikolwiek obiekt, czujnik zareaguje i wyśle sygnał do sterownika danego procesu, który przerwie go lub wykona inną czynność. Przy pomocy tego typu czujników można także np. mierzyć poziom cieczy bądź materiałów sypkich, identyfikować i zliczać obiekty przesuwające się na taśmie produkcyjnej, określać położenie ruchomych części maszyn czy liczbę wykonanych obrotów.

Czujniki optyczne – zastosowanie

Czujniki optoelektroniczne znajdują zastosowanie we wszystkich procesach, w których powyższe zadania należy wykonać bezdotykowo oraz w pełni bezpiecznie. Dlatego też chętnie sięgają po nie przedsiębiorstwa produkcyjne z takich branż jak np. przemysł maszynowy, automotive, spożywczy, a nawet ciężki. Co ważne, nie ma przy tym praktycznie żadnego znaczenia, z jakiego materiału wykonane są przedmioty objęte kontrolą. 

W aplikacjach przemysłowych wciąż jeszcze bardziej popularne i częściej stosowane są zbliżeniowe czujniki indukcyjne, ale dynamiczny rozwój czujników optycznych sprawia, że ich rola z każdym rokiem staje się coraz większa. W porównaniu do czujników indukcyjnych czujniki optoelektroniczne są rozwiązaniem o większej uniwersalności, poza tym cechują się znacznie większym zasięgiem działania – mogą zatem być wykorzystywane zarówno do detekcji małych detali z bliskiej odległości (od kilku milimetrów) do blisko stu metrów. Ich wadą jest wyższa cena, a także mniejsza precyzja działania, a nawet brak możliwości pracy w silnie zanieczyszczonym środowisku (różnego rodzaju pyłami czy też parą wodną).

Czujniki optyczne – wiele dostępnych wersji

W ofercie producentów czujników fotoelektrycznymi można znaleźć sporą liczbę różnych dostępnych rozwiązań, które będą się różnić rodzajem emitowanego światła, zakresem kontroli, budową czy też zasadą działania. Do często wybieranych rozwiązań należą optyczne czujniki odbiciowe, zwane również dyfuzyjnymi. W jednej obudowie, obok siebie znajdują się nadajnik wiązki światła oraz odbiornik. Emitowana wiązka dociera do kontrolowanego obiektu, a następnie odbija się od jego powierzchni i wraca do odbiornika. Wśród tego typu czujników występują również czujniki z eliminacją tła oraz przedpola.

Zaletą tego rodzaju czujników optycznych jest prosta budowa, a tym samym łatwy montaż i regulacja. Czujniki te mogą być używanego do wielu różnych zadań, choć trzeba pamiętać o stosunkowo niewielkim zasięgu, sięgającym do 2 m.

Podobną budową charakteryzują się czujniki refleksyjne, w których również w jednej obudowie znajdziemy nadajnik i odbiornik wiązki światła, która odbija się od elementu odblaskowego. W tego typu czujnikach wymagany jest jest montaż reflektora na osi wiązki optycznej wysyłanej przez czujnik. Do najważniejszej zalety, w porównaniu do czujnika odbiciowego, zaliczamy znacznie szerszy zasięg działania, który w tym urządzeniu może sięgać nawet 12 m. Czujniki te nie są wrażliwe na kolor obiektu, mogą być wykorzystywane do wykrywania lub pomiarów elementów ze szkła bądź materiałów transparentnych.

Osobną grupę stanowią czujniki typu bariera, w których nadajnik i odbiornik są całkowicie niezależnymi elementami, znajdującymi się po obu stronach kontrolowanej przestrzeni wzdłuż jednej osi wyznaczonej przez wiązkę światła. Ten rodzaj czujnika jest wykorzystywany do wykrywania niepożądanych obiektów lub ludzi w niebezpiecznej strefie. W porównaniu do obu poprzednich typów czujników charakteryzują się największym zasięgiem oddziaływania, który sięga kilkudziesięciu metrów. Rozwinięciem tego typu czujników są czujniki szczelinowe, których obudowa ma najczęściej kształt litery C, a które służą do identyfikacji precyzyjnych elementów, np. znaków na elementach znajdujących się na taśmie produkcyjnej.

Czujniki optyczne różnią się również długością emitowanego światła: wyróżniamy tu czujniki na światło podczerwone oraz światło widzialne. Osobną grupę stanowią optyczne czujniki laserowe, wykorzystujące do pomiarów laser. Wyróżniają się one szerokim zakresem pomiarowym przy zachowaniu wysokiej rozdzielczości, bardzo wysoką jakością pomiarów i możliwością wykonywania pomiarów wszystkich powierzchni, w tym m.in. szklanych, chropowatych i lustrzanych. Przy użyciu czujników światłowodowych, które mogą pracować w trybie odbiciowym bądź jako bariery, także można wykonywać pomiary różnych powierzchni. Z kolei czujniki kontrastu/koloru umożliwiają wykrywanie określonego koloru danego obiektu bądź powierzchni, który jest kontrastowy w stosunku do tła, na którym się znajduje.

Wybierając czujnik optyczny należy zwrócić uwagę na szereg czynników, które będą decydować o przydatności konkretnych rozwiązań. Na dobór czujników będzie wpływał kąt kierunkowy, który decyduje o rozproszeniu światła, napięcie zasilania, wyjście sterujące, czas odpowiedzi, obwody zabezpieczające itp. Niezwykle istotne są również czynniki zewnętrzne, jakie będą panować w miejscu pracy czujnika, w tym przede wszystkim stopień zapylenia, temperatura, wilgotność czy też wibracje.

Nowe wyzwania przed czujnikami optycznymi

Rozwój zaawansowania zautomatyzowanych procesów produkcyjnych wymusza także postęp w obszarze wszelkiego rodzaju czujników. Również w przypadku optycznych czujników zbliżeniowych jesteśmy świadkami dynamicznych zmian. Na przestrzeni kilku dekad czujniki optyczne ewoluowały od rozwiązań zero-jedynkowych do wysoce zaawansowanych inteligentnych produktów, które są niezbędnym składnikiem czwartej rewolucji przemysłowej. Coraz częściej standardem w rozwiązaniach czujnikowych są różnego rodzaju systemy komunikacyjne (np. wykorzystujące interfejs IO-Link), dzięki którym czujniki optyczne mogą przesyłać określone informacje np. do jednostki sterującej.

Sporym wyzwaniem stawianym przed czujnikami jest także umiejętność wykrywania obiektów o nietypowych kształtach, o trudnych do kontroli powierzchniach (np. błyszczących), a także w niekorzystnych pomieszczeniach (np. o zmiennym oświetleniu).

Jednocześnie czujniki optyczne cały czas muszą sprostać wysokim wymaganiom związanym chociażby z pracą w niesprzyjających warunkach. Dlatego też w ofercie producentów możemy znaleźć chociażby czujniki z obudową ze stali nierdzewnej o dużym stopniu odporności na wnikanie innych ciał stałych, czujniki przeznaczone do pracy w strefach zagrożonych wybuchem, w strefach o dużym zagrożeniu korozyjnym, do pracy z chłodziwami i olejami, do zastosowań w branży spożywczej. Kolejnym trendem jest miniaturyzacja, co umożliwia montaż czujników w ograniczonej przestrzeni, przy zachowaniu cały czas wysokiego stopnia ochrony.