Hoe werken fotocellen?

Fotocellen zijn in het kort apparaten die een verandering in lichtintensiteit waarnemen. Dit omvat de detectie en non-detectie van het door de sensor uitgezonden licht. Echter, de methode van het detecteren van het doel varieert per type sensor. Een fotocel bestaat uit een lichtbron (LED), een ontvanger (fototransistor), een signaalomvormer en een versterker. De fototransistor verifieert of het inkomende licht van de LED afkomstig is of niet en op basis hiervan wordt er een output getriggerd. Fotocellen hebben een groot bereik en een kleine omvang met een unieke variatie van behuizingen waardoor ze uitermate geschikt zijn in veel toepassingen.

Fotocellen hebben drie verschillende modi voor het detecteren van doelen: taster, retro-reflectief en thru-beam. Verder heeft iedere modus ook variaties.

 

Taster modus

Een taster mode, ook wel toenaderingsmode genoemd, houdt in dat de zender en de ontvanger in dezelfde behuizing zitten. De zender zendt een lichtstraal uit dat contact maakt met het doel dat het licht weerkaatst in willekeurige hoeken. Een deel van het licht keert terug naar de ontvanger waardoor het mogelijk wordt om het doel te detecteren. Factoren zoals de kleur, omvang en het materiaal van het doel beïnvloeden het tastvermogen dat weer de weerkaatsing van licht beïnvloedt. Veel van de overgedragen energie gaat verloren door de hoek van het doel en het vermogen ervan om licht te weerkaatsen. Dat is waarom de taster mode fotocellen een kortere detectiebereik hebben dan de andere modi. Het voordeel van deze modus is dat deze sensor heel compact is en alles in een behuizing past.

Taster mode variaties

Als eerste is er de variatie die werkt met een convergente straal binnen de taster modus. De zender en ontvanger zijn hierbij gefocust op exact hetzelfde punt. Het detectievermogen, gedefinieerd als het focuspunt, is gefixeerd en de sensor is daarmee in staat een object binnen dit focuspunt te detecteren. Dit wordt ook wel de sensing window genoemd. Alle objecten hierbuiten worden genegeerd.

Een tweede variatie is die met een achtergrondonderdrukking waarbij objecten binnen een bepaalde afstand worden gedetecteerd en alles erbuiten genegeerd wordt. Deze achtergrondonderdrukking wordt door middel van mechanische of elektronische achtergrondonderdrukking toegepast. Voor de mechanische methode bevatten de fotocellen twee ontvangende elementen. De eerste ontvangt licht van het detectiedoel en ander van de achtergrond. Het detectiedoel wordt waargenomen en de output is geactiveerd wanneer de reflectie van het detectiedoel groter is dan dat van de achtergrond. Wanneer de reflectie van de achtergrond groter is, is het doel niet gedetecteerd en komt er ook geen output. Het is mechanisch mogelijk om het brandpunt te verstellen voor verschillende afstanden.

In het geval van een elektronische achtergrondonderdrukking wordt er in de sensor gebruikgemaakt van een Position Sensitive Device (PSD) in plaats van mechanische onderdelen. Een lichtstraal wordt uitgezonden door de zender die weerkaatst wordt naar de PSD door twee punten, het detectiedoel en de achtergrond. Beide reflecties worden door de sensor geanalyseerd en vergeleken met de vooraf ingestelde detectiewaarden.

 

Retro reflectieve modus

Ook in de retro reflectieve modus bevinden de zender en de ontvanger zich in dezelfde behuizing, maar met een belangrijk verschil: er wordt gebruikgemaakt van een reflector die het licht reflecteert van de zender naar de ontvanger. Het doel wordt gedetecteerd wanneer het licht van de fotocel naar de reflector wordt onderbroken. Deze modus heeft een groter bereik en wordt niet beïnvloedt door kleur of materiaal. Sensors in deze modus kunnen zowel met als zonder gepolariseerde filters uitgerust worden. Het filter zorgt ervoor dat alleen licht met een behaalde hoek terug kan komen naar de ontvanger. Hierdoor kan een schijnend object waargenomen als een object in plaats van een reflector.

Retro-reflectieve modus voor de detectie van heldere objecten

De retro-reflectieve modus is ook verkrijgbaar als fotocellen die heldere objecten kunnen waarnemen. Deze sensoren maken gebruik van een hysterese circuit om kleine wijzigingen in licht waar te nemen die optreden bij de detectie van heldere objecten. Met behulp van gepolariseerde filters in de zender en ontvanger worden valse detecties verminderd die optreden door de reflectie van het detectiedoel.

Retro-reflectieve modus met voorgrondonderdrukking

Glimmende doelen worden niet verkeerd geïdentificeerd door deze modus met voorgrondonderdrukking wanneer die zich op een bepaalde afstand bevinden, ook wel de dead zone genoemd. Deze modus is een ideale oplossing voor de detectie van bijvoorbeeld pallets die voorzien zijn van krimpfolie. Foute detecties van reflectieve materialen worden voorkomen door een zone die ontstaat door optische lenzen in de behuizing.

 

Thru-beam modus

 

De thru-beam modus gebruikt twee aparte behuizingen voor de zender en de ontvanger. De zender is gericht op de ontvanger zodat de output geactiveerd wordt wanneer de lichtstraal onderbroken wordt door een object. De thru-beam modus is de meest efficiënte tussen alle modi en heeft het verste bereik. Er is een variatie aan uitvoeringen. De meest gangbare bestaat uit een zender, een ontvanger en een lichtstraal ertussen. Een ander is de framefotocel. Deze bestaat uit één behuizing waardoor het niet meer nodig is om deze af te stellen op een andere. Met meerdere zenders in een behuizing ontstaat er een virtuele sheet van licht wanneer de lichtstralen naar elkaar toe gericht staan.

 

Glasvezel sensing

Glasvezelsensoren zorgen ervoor dat licht door een glasvezelkabel gaat. Deze sensoren zijn geschikt in toepassingen waarin kleine detectiedoelen in ongunstige omstandigheden waargenomen moeten worden. Glasvezelkabels maken zowel de thru-beam als de taster modus mogelijk. Deze kabels zijn steviger dan plastic kabels en efficiënter in het doorlaten van licht. Dit zorgt ervoor dat ze een groter waarnemingsbereik hebben en overweg kunnen met zowel infrarood licht als zichtbaar licht. Plastic kabels, echter, zijn kostefficiënter, flexibeler en kunnen gesneden worden in de gewenste lengte.