لمحة عامة عن أجهزة الاستشعار من المستوى الضوئي

وقد كانت أجهزة الاستشعار ذات المستوى الضوئي فترة طويلة تمثل مجموعة من الأدوات في التشغيل الآلي الصناعي، معتمدة على مبادئ الانبعاث الضوئي والكشف لتحديد وجود أو عدم وجود مواد مستهدفة، وهذه أجهزة الاستشعار تعمل عادة في الطيف الضوئي المرئي أو المرئي، باستخدام جهاز استشعار ومستقبل، وعندما يكسر الشعاع الضوء بواسطة جسم (عبر الحزمة) أو يتجلى في التلقي (منتجات متعددة التكلفة أو مجهزة مناديل صلبة).

وتمنح أساليب التشغيل الرئيسية الثلاثة للمستشعرات البصرية مزايا متميزة، ففي حين أن أجهزة الاستشعار من خلال الحزم تتألف من جهاز مستقل للإنذار وجهاز استقبال يوضع في مواجهة بعضها البعض؛ ويكتشف الجسم عندما يقطع الطريق الخفيف، ويوفّر هذا التصميم أعلى نطاق للاستشعار وأكبر قدر من الحصانة للتلوث، ولكنه يتطلب وجود أسلاك على جانبي الهدف.

وكثيرا ما تتضمن أجهزة الاستشعار الحديثة ذات المستوى البصري تقنيات لقمع الخلفية أو القمع السطحي لتحسين الموثوقية مقارنة بخلفيات مختلفة، وتستخدم بعض النماذج نبضات خفيفة متحركة واكتشافات متزامنة لرفض التدخل في الضوء المربع، وفي الكشف على مستوى السائل، يمكن تصميم أجهزة الاستشعار البصرية كمفاتيح ذات مستوى نقطة، باستخدام طرف من الرزم يغيّر مؤشر الارتداد عند السائل.

وعلى الرغم من فوائدها الكثيرة، فإن أجهزة الاستشعار ذات المستوى البصري لها قيود متأصلة، ويمكن أن يتحلل أدائها في البيئات التي بها غبار ثقيل أو ضباب أو بخار أو تقطع سوائل، وقد تسبب المواد الشديدة التجلي أو الشفافة دافعا زائفا ما لم يتم اختيار جهاز الاستشعار بعناية، وبالإضافة إلى ذلك، فإن نطاق الاستشعار يقتصر عموما على بضعة مترات في أفضل الأحوال، وكثيرا ما تكون الدقة كافية بالنسبة لبيئة الاكتشاف/التفاؤل.

لمحة عامة عن أجهزة الاستشعار من مستوى لاسر

وتمثِّل أجهزة الاستشعار من مستوى اللازر خطوة في الدقة والأداء، فبدلاً من شعاع الضوء الواسع، فإنها تُحدث شعاعاً ليزرياً متماسكاً بدرجة عالية في الطيف الأحمر أو شبه الأحمر، وتستخدم قياسات الأشعة المتناهية الصغر (توب) أو ثلاثية القياسات أو قياسات الطول التدريجي لحساب المسافة الدقيقة إلى سطح مستهدف.

أجهزة استشعار من مستوى اللازر تأتي في عدة متغيرات تكنولوجية، إذ تقاس أجهزة الاستشعار من طراز " وقت الطيران " وقت السفر ذهابا وإياباً من نبض ليزر إلى الهدف والخلف، وتظهر هذه الأجهزة في تطبيقات بعيدة المدى (حتى 200 متر) ولكنها قد تكافح بدقة دون مليمتر في سيناريوهات الحدة السريعة.

ومن بين أوجه التمييز الهامة بين أجهزة الاستشعار من مستوى الليزر قدرتها على القياس المستمر (الناتج اللامعي) بدلا من مجرد توفير إشارة وجود ثنائية، إذ ينتج العديد من النماذج إشارة تبلغ 420 ميلاً، ووصلات تفاعلية رقمية (RS-485، وO-Link، وEthernet/IP)، أو حتى تبث البيانات عن بعد عن طريق السلسل أو USB. وهذا يجعلها مثالية لإدارة المخزون في السليلوز، ومراقبة المستوى في صلبات، ومراقبة العمليات السائلة.

وتزيد تكلفة أجهزة الاستشعار من مستوى الليزر ارتفاعا كبيرا عن أجهزة الاستشعار البصرية، ولا سيما بالنسبة للأجهزة ذات التردد العالي أو وحدات التردد العالي المدى البعيد، كما أنها تتطلب خطا نظيفا من حيث الرؤية بالنسبة للهدف ويمكن أن تكون حساسة بالنسبة للخصائص السطحية مثل اللون والنسيج وزاوية التواتر والمواد (الفلزات الحديدية مقابل اللدائن) وتشمل نماذج متعددة من قبيلات الفم (65).

الاختلافات الرئيسية ومصانع الأداء

Accuracy and Resolution

إن أهم تمييز بين أجهزة الاستشعار البصرية واللاسرات يكمن في دقة القياس، وعادة ما توفر أجهزة الاستشعار ذات الاستخدام البصري الموحّد إمكانية إعادة التكرار من 2 إلى 5 مم، في حين أن بعض الأنواع المتجددة يمكن أن تحقق 1 ملم في ظل ظروف مثالية، فإن أجهزة الاستشعار الثلاثية، على النقيض، تقدم القرار إلى 0.01 ملم والدقة المطلقة من عيار 10 ملم على مدى القاعدة().

Range and Beam Characteristics

ويمكن للمستشعرات البصرية التي تستخدم عن طريق الحزمة أن تحقق حدودا تصل إلى 80 متراً في البيئات النظيفة، ولكن هذا يتطلب وجود فتحات كبيرة من المرارة والمستقبل، كما أن معظم أجهزة الاستشعار الصناعية ذات التأثير البصري التي تعمل على ارتفاع يتراوح بين 1 و2 متر.

Environmental Robustness

أما أجهزة الاستشعار الضوئية فهي أكثر عرضة للتدخل من الضوء المحيطي، والضباب، والبخار، والغبار، والخلفيات المجسّدة، وتشتمل النماذج المتقدمة على أجهزة الاستنشاق والاستقطاب لتخفيف الزناد الزائفة، ولكن لا تزال هناك قيود أساسية، وتعالج أجهزة الاستشعار التي تعمل في مجال الجسيمات الكثيفة بشكل عام الهزات والغبار والمطر بشكل أفضل لأن الشعاع المتماسك يحافظ على الطاقة ويمكن أن تكون مجهزة في مرحلة ما بعد الفرزة من الضوضاءة.

التكلفة ومجموع تكلفة الملكية

ويمكن أن تكون أجهزة الاستشعار ذات المستوى الأمثل متاحة على نطاق واسع تحت ال ٥٠-١٥٠، رهنا بالمدى والسمات، والتركيب مباشر، وتكاليف الاستبدال منخفضة، ونادرا ما تكون الحاجة إلى معايرة للكشف الثنائي، وتراوحت أجهزة الاستشعار من مستوى لاسر بين حوالي ٢٠٠ دولار للوحدات الأساسية العاملة في مجال الترددات المتوسطة إلى ٥٠٠ ١ دولار، وذلك بالنسبة لأجهزة الاستشعار ذات الدقة العالية، وتقابل ارتفاع التكلفة القصوى تطبيقات قياسية أقل.

التوصيات ذات الصلة بالتطبيق

التعبئة وتجهيز الأغذية

وبالنسبة للتحقق من وجود الزجاجات، والمواءمة بين الكبسولات، والكشف عن المشغلات البسيطة، فإن أجهزة الاستشعار البصرية (وبخاصة من خلال الحزمة أو الارتداد) هي المعيار، كما أن انخفاض تكاليفها وسهولة الارتداد من حيث خطوطها العالية السرعة، وفي المناطق الرطبة أو المغسلة، تختار أجهزة الاستشعار المزودة بالأشعة المحتوية على البنفسج مع قمع الخلفية، وإذا كانت الحاويات الشفافة أو الزجاجية تحتوي على أجهزة الاستشعار المتحركة، فإن أجهزة الاستشعار المحتوية على أجهزة الاستشعار المتحركة يمكن أن تنظر في المتحركة على أجهزة الاستشعار المتحركة يمكن أن تكون متطورة.

التكاثر والآلات

وفي محلات المعادن، تكون أجهزة الاستشعار من مستوى الليزر عالمية تقريبا لقياس ارتفاع الكتائب، وسماكة الطبق، أو معادلة الأدوات الآلية، ويمكن قراءة الشعاع الضيق عن طريق فتحات في الجاذبية أو الشبكات، كما أن الدقة العالية (الخامسة-1 ملم) ضرورية لتحديد مواقع لجنة التفاوض الحكومية الدولية، ونادرا ما تستخدم أجهزة الاستشعار الضوئية لقياس المسافة هنا، ولكن يمكن استخدامها في الكشف عن الحواف أو التحقق من جانب بسيط في بيئة نظيفة.

الفول السوداني والتعدين

أما بالنسبة لرصد المسحوقات أو الفولاذ أو الركاز من مستوى السلوف والبن، فإن أجهزة الاستشعار من الطيور المحتوية على أشعة متعددة الجمركي يمكن قياسها من أعلى السيلو دون الاتصال بالمواد، حتى في الهواء الغباري، وبعض الألغام تستخدم أجهزة لازرية ذات مبان مضادة للانفجار، وأجهزة الاستشعار الضوئية غير مناسبة عموماً لهذه البيئات المتطورة إلى التراب.

غرفة الصيدلانية والنظيفة

وتجعل البصمات الصغيرة والطبيعة غير المتنازعة للمستشعرات البصرية من الشائعات في عد الحبوب وكشف عبوات البلطيق وفرز المناقل داخل غرف نظيفة، وتستخدم أجهزة الاستشعار اللازرية حيثما يلزم تحديد مواقع الميكرون أو المحاقن، مثل ملء الآلات، ويمكن تحديد التكنولوجيات بمساكن فولاذية لا تصق ومواد معتمدة من نوع FDA.

معايير الاختيار وإطار القرار

(ب) أن تختار بين أجهزة الاستشعار البصرية والمستشعرات الليزرية، وأن تقيّم العوامل التالية بصورة منهجية:

  1. Measurement objective:] Is binary presence/absence sufficient, or do you need continuous distance / level data? If the latter, a laser sensor is generally required.
  2. Required accuracy:] If tolerance is above 2 mm, a standard optical sensor may suffice.
  3. (أ) الظروف البيئية: ] Consider dust, moisture, ambient light, temperature extremes, and clean chemicals. Laser sensors typically handle harsher conditions better, but verify with manufacturer data.
  4. Target characteristics:] Transparent, shiny, dark, or moving targets may require a specific sensor technology. For example, optical diffuse sensors struggle with black objects; a laser triangulation sensor can measure them reliably.
  5. Range and mounting:] Measure the maximum distance from sensor to target. If over 5 m, laser is the practical choice. Also consider whether you can mount two enclosures ( through —beam) or only one (diffuse/laser).
  6. Integration complexity:] Assess the need for analog output, digital communication, and compatibility with existing PLCs. Laser sensors with IO-Link simple setup but require compatible masters.
  7. Budget:] Determine total cost of ownership including installation, maintenance, and potential downtime. For simple tasks, optical sensors provide the best ROI. For critical processes, invest in laser.

ويقدم العديد من الموردين أدوات المقارنة ومهندسي التطبيقات الذين يمكنهم المساعدة في تضييق نطاق الاختيار، ومن الحكمة أيضا اختبار جهاز الاستشعار في بيئة الإنتاج الفعلية قبل الالتزام بالنشر الواسع النطاق، وكثيرا ما تكشف تجربة الموقع عن مسائل غير متوقعة مثل التأملات المضاربة أو الضوء الضئيل غير الواضح من صحائف البيانات.

For further reading, consult application notes from leading sensor manufacturers:
]Keyence Laser Measurement Systems]
Omron Photoelectric Sensor Selection Guide

التطورات والاستنتاجات المقبلة

ولا تزال الفجوة بين أجهزة الاستشعار البصرية واللاسارية ضيقة، حيث إن أجهزة الاستشعار الضوئية المتطورة تعمل على خفض التكاليف وتخفيض الحجم، مما يجعل الدقة الليزرية تشكل عوامل تُحتفظ بها للمستشعرات البصرية، وفي الوقت نفسه، تعتمد أجهزة الاستشعار الضوئية التصوير المحتوي على تكنولوجيا المعلومات والأشعة الليزرية الذكية التي تتيح استشعار المواقع وتقديرات المسافات بعد ما يتجاوز الحلول البسيطة للكشف/الكشف.

كما أن التكامل اللاسلكي، والمحللين المحتويين على حافة، والمجسات ذاتية المقاييس، على الأفق، وستستفيد كلتا التقنيتين من شبكة الإنترنت الصناعية للأشياء، مما يتيح الصيانة التنبؤية والتشخيص عن بعد، غير أن الفيزياء الأساسية لا تزال قائمة: فالأجهزة الاستشعار الضوئية توفر قياساً ثنائياً فعالاً من حيث التكلفة للمهام النظيفة والقصيرة المدى، بينما توفر أجهزة الاستشعار الليزرية اللازمة.

وفي نهاية المطاف، لا يوجد جواب عالمي للاختيار بين أجهزة الاستشعار البصرية وأجهزة الاستشعار من مستوى الليزر، إذ إن الفهم الدقيق لمتطلبات العمليات الخاصة بك، والظروف البيئية، والقيود المفروضة على الميزانية سيفضي إلى اتخاذ القرار الصحيح، وفي كلتا الحالتين، وفرت الهندسة الحديثة أدوات موثوقة ومحسنة التجهيز، تؤدي، عند تطبيقها بشكل صحيح، إلى تحسين نوعية الإنتاج والكفاءة التشغيلية، وبزيادة مواطن قوة كل تكنولوجيا، يمكن للمهندسين أن يبنيوا على وجه الدقة نظما قوية للكشف عن المواد مصممة خصيصا.