作者：Bill Schweber

投稿人：DigiKey 北美編輯

2024-11-07

光電 (PE) 傳感器因其高效、耐用和清晰的工作原理，已廣泛用于生產(chǎn)、工業(yè)和商業(yè)系統(tǒng)中的非接觸式接近檢測(cè)。典型應(yīng)用包括檢測(cè)高速生產(chǎn)線(xiàn)上的瓶子或罐子、查看運(yùn)輸箱內(nèi)是否有包裹、檢查門(mén)是否打開(kāi)或關(guān)閉，或人的存在檢測(cè)。

PE 接近傳感器可以設(shè)計(jì)成不同的光學(xué)檢測(cè)模式，基本的逆反射方法是一種典型排列方式。盡管 PE 傳感器的工作原理很簡(jiǎn)單，但在設(shè)置時(shí)可能需要大量時(shí)間進(jìn)行試錯(cuò)，以便根據(jù)應(yīng)用的具體情況對(duì)配置和檢測(cè)算法進(jìn)行初始化、微調(diào)和優(yōu)化，或針對(duì)不同的生產(chǎn)流程重新調(diào)整。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要一個(gè)更簡(jiǎn)化的解決方案，以避免相關(guān)的設(shè)置和部署延遲。

本文簡(jiǎn)要介紹 PE 的基礎(chǔ)知識(shí)。然后介紹 [SICK inc.] 生產(chǎn)的 PE 接近傳感器，并說(shuō)明如何通過(guò)獨(dú)特的簡(jiǎn)化設(shè)置過(guò)程來(lái)使用這些傳感器。

PE 傳感基礎(chǔ)知識(shí)

PE 接近檢測(cè)技術(shù)依賴(lài)于一個(gè)光源，光束緊密聚焦，射向待檢測(cè)物體。光束有三種使用方法（具體視接收器的光束檢測(cè)方式而定）（圖 1）。

圖 1：PE 接近檢測(cè)技術(shù)可使用三種物理排列的透射光束、相應(yīng)的光敏接收器。（圖片來(lái)源：Proximity Switch）

• 在漫反射檢測(cè)技術(shù)中，發(fā)射器和接收器安裝在一起，當(dāng)發(fā)射器發(fā)出的光束在相關(guān)物體上反射時(shí)，就會(huì)進(jìn)行檢測(cè)。
• 在逆反射檢測(cè)技術(shù)中，發(fā)射器和接收器也在同一個(gè)外殼中，但反射器位于目標(biāo)物體的遠(yuǎn)側(cè)。
• 在穿透光束檢測(cè)技術(shù)中，光電傳感器位于物體的另一側(cè)，物體通過(guò)阻擋從發(fā)射器到接收器的光線(xiàn)來(lái)顯示其存在。

PE 接近檢測(cè)還可用于安全方面的用途，如光柵或光幕，這些設(shè)備安裝在戰(zhàn)略位置，可用作安全門(mén)（圖 2）。當(dāng)檢測(cè)到障礙物時(shí)，光柵會(huì)向控制器或硬接線(xiàn)安全電路發(fā)送信號(hào)，如果障礙物是意外物體或危險(xiǎn)物體，則控制器或硬接線(xiàn)安全電路就會(huì)使機(jī)器停機(jī)。

圖 2：接近檢測(cè)可用于與安全相關(guān)的光柵或光幕。（圖片來(lái)源：SICK Inc.）

PE 檢測(cè)技術(shù)具有吸引力，是因?yàn)槠洳捎昧酥庇^(guān)的工作原理和物理排列方式。反射式方法也很不錯(cuò)，因?yàn)檫@種技術(shù)只需要在一側(cè)安裝有線(xiàn)設(shè)備，從而簡(jiǎn)化安裝物流。

全新的設(shè)計(jì)和用戶(hù)界面解決了許多難題

盡管概念簡(jiǎn)單，但 PE 接近檢測(cè)技術(shù)需要進(jìn)行仔細(xì)的現(xiàn)場(chǎng)安裝、調(diào)試和校準(zhǔn)。視覺(jué)嘈雜的環(huán)境會(huì)給技術(shù)人員帶來(lái)挑戰(zhàn)，使其產(chǎn)生挫敗感，距離和目標(biāo)方面的考慮因素也會(huì)影響性能和一致性。

PE 檢測(cè)技術(shù)通常與可編程邏輯控制器 (PLC) 配合使用。通常情況下，安裝人員必須在 PLC 上進(jìn)行設(shè)置、測(cè)試、調(diào)整和重新測(cè)試，而 PLC 離 PE 設(shè)備可能有一段距離。此外，光照變化、無(wú)關(guān)的和不斷變化的反射以及實(shí)際環(huán)境中的其他失真都可能影響性能和準(zhǔn)確性。

在生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題尤其令人頭疼，而且往往由于急于快速解決問(wèn)題而變得更加嚴(yán)重。

為了克服這些問(wèn)題，SICK 開(kāi)發(fā)出 [W10](系列接近傳感器（圖 3）。

圖 3：W10 系列采用緊湊、堅(jiān)固的外殼，是一種全面、精密的 PE 接近傳感器。（圖片來(lái)源：SICK Inc.）

尤其值得一提的是，該系列傳感器在同類(lèi)設(shè)備中率先采用了觸摸屏（圖 4）。

這種顯示界面不僅易用，而且支持快速安裝，并能加快對(duì)各種應(yīng)用的適應(yīng)速度。其簡(jiǎn)便的導(dǎo)航功能縮短了設(shè)備啟動(dòng)和運(yùn)行所需的時(shí)間， 并便于在使用過(guò)程中針對(duì)不同的目標(biāo)、速度或突發(fā)問(wèn)題進(jìn)行調(diào)整。此外，消除了對(duì)設(shè)備上的物理開(kāi)關(guān)、旋鈕以及調(diào)節(jié)方面的需求，從而提高了可靠性、外殼完整性和安全性。

W10 系列的 1 類(lèi)激光光源可提供重復(fù)精度高的精確檢測(cè)結(jié)果。經(jīng)過(guò)聚焦的紅色激光束在物體上產(chǎn)生一個(gè)小光斑，并與快速精確的接收器激光三角測(cè)量系統(tǒng)和評(píng)估線(xiàn)掃描相結(jié)合。

這為實(shí)現(xiàn)高重復(fù)精度和快速?zèng)Q策的檢測(cè)結(jié)果提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在高速模式下，響應(yīng)時(shí)間僅為 1.8 毫秒 (ms)，因此即使在機(jī)器高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)也能保證可靠的開(kāi)關(guān)性能。雙色 LED 指示燈可即時(shí)反饋檢測(cè)狀態(tài)。此外，這些設(shè)備還能對(duì)具有如光澤、顏色或結(jié)構(gòu)等不同表面特性的物體進(jìn)行穩(wěn)健可靠的檢測(cè)。

PE 接近傳感器提供了個(gè)性化“Teach-in（學(xué)習(xí)）”選項(xiàng)，以適應(yīng)特定的應(yīng)用。除了通常的單點(diǎn)示教外（檢測(cè)規(guī)定距離處的物體），雙點(diǎn)示教模式還能檢測(cè)不同高度的物體。手動(dòng)模式增加了示教選擇，帶來(lái)了更大的靈活性。根據(jù)需要，可通過(guò)顯示屏激活三種應(yīng)用優(yōu)化型運(yùn)行模式，以實(shí)現(xiàn)前景或背景抑制。

通過(guò)內(nèi)置的觸摸屏，操作員可以直觀(guān)地選擇、調(diào)整和保存以下各參數(shù)的設(shè)置：速度、標(biāo)準(zhǔn)或精密操作模式、環(huán)境抑制、個(gè)人示教設(shè)置、預(yù)配置參數(shù)和極限值。W10 獨(dú)特的屏幕安全鎖功能可防止第三方訪(fǎng)問(wèn)具體設(shè)置。

用戶(hù)界面的靈活性并不局限于觸摸屏：同樣的功能也可通過(guò) W10 IO-Link 功能實(shí)現(xiàn)。這樣就可以進(jìn)行遠(yuǎn)程配置，并將記錄的傳感器數(shù)據(jù)有效地集成到現(xiàn)有自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)中。

W10 的電氣選項(xiàng)和封裝

W10 傳感器設(shè)備的數(shù)字輸出是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)考慮因素。這些設(shè)備提供可調(diào)節(jié)推挽式 PNP/NPN 輸出結(jié)構(gòu)。如果將輸出設(shè)置為 PNP，則輸出信號(hào)為正，傳感器的輸出可為灌電流輸入卡提供拉電流；如果將傳感器設(shè)置為 NPN，則輸出信號(hào)為負(fù)，輸出可提供灌電流，用于連接拉電流輸入卡（圖 5）。有了這兩個(gè)選項(xiàng)，就能確保件容 PLC 或其他系統(tǒng)控制器的基本信號(hào)級(jí)。

圖 5：W10 設(shè)備的輸出級(jí)可提供灌電流（上）或拉電流（下）兩種模式，以確保兼容相關(guān)的 PLC。（圖片來(lái)源：www.topdiode.com）

輸出可配置為亮或暗輸出模式（“亮-導(dǎo)通”或“暗-導(dǎo)通”）。在光照模式下，當(dāng)光線(xiàn)可以照射到接收器時(shí)，傳感器的輸出將導(dǎo)通；當(dāng)光線(xiàn)被遮擋時(shí)，傳感器的輸出將關(guān)斷。相反，在黑暗模式下，當(dāng)光線(xiàn)被遮擋時(shí)，傳感器的輸出將導(dǎo)通，而當(dāng)光線(xiàn)到達(dá)接收器時(shí)，傳感器的輸出將關(guān)斷。

由于這些設(shè)備通常用于工業(yè)環(huán)境，因此其物理封裝非常重要。W10 設(shè)備設(shè)計(jì)堅(jiān)固，采用 316L 不銹鋼外殼，防護(hù)等級(jí)為 IP67 和 IP69k。該設(shè)備采用 18 × 57 × 42.2 毫米 (mm) 封裝，工作環(huán)境溫度范圍為 -10°C 至 +55°C。

能夠支持現(xiàn)場(chǎng)或工廠(chǎng)中的各種設(shè)備，是工業(yè)傳感器面臨的挑戰(zhàn)之一。這種現(xiàn)實(shí)情況使內(nèi)部庫(kù)存和支持變得更加復(fù)雜。不過(guò)，由于 W10 系列的靈活性，該系列只需要兩種本體樣式（圖 6）。每個(gè)型號(hào)都有兩個(gè)檢測(cè)范圍，且總共只有四個(gè)不同的型號(hào)，從而簡(jiǎn)化了選擇。

圖 6：W10 系列中功能相似的裝置有兩種外殼樣式，且各有兩種檢測(cè)范圍。（圖片來(lái)源：SICK Inc.）

W10 系列 [1133545] 型采用矩形外殼，標(biāo)準(zhǔn)安裝孔為 1 英寸 (in.)，目標(biāo)檢測(cè)距離為 25 mm 至 400 mm，而類(lèi)似的 [1133547] 型設(shè)備的目標(biāo)距離為 25 mm 至 700 mm。對(duì)于混合裝置，[1133544] 型具有一個(gè) 1 in. 螺紋式正面或側(cè)面 M18 安裝孔，目標(biāo)距離為 25 mm 至 400 mm，相應(yīng)的 W10 [1133546] 型采用相同的外殼，但目標(biāo)距離為 25 mm 至 700 mm。

結(jié)束語(yǔ)

W10 PE 傳感器單元為工業(yè)應(yīng)用提供了堅(jiān)固耐用的多功能漫反射解決方案。其先進(jìn)的功能包括，業(yè)內(nèi)首款集成觸摸屏用戶(hù)界面簡(jiǎn)化了安裝、設(shè)置和調(diào)整，而其復(fù)雜的算法則增強(qiáng)了功能和準(zhǔn)確性。

審核編輯 黃宇