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Technologie des capteurs à fibre optique

Les capteurs à fibre optique détectent les objets et les états en dirigeant la lumière sur un objet à contrôler et en évaluant le changement d’intensité de la lumière renvoyée. Ils peuvent détecter de très petits objets, sont particulièrement flexibles à monter et extrêmement résistants dans des environnements difficiles, même à des températures élevées, en présence d’humidité ou de fluides humides.

Qu’est-ce qu’un capteur à fibre optique ?

Les capteurs à fibre optique utilisent les propriétés physiques de la lumière lors de sa transmission par des fibres optiques en fibre de verre ou en plastique pour détecter les objets. Ils se composent d’un amplificateur pour fibre optique et de câbles à fibre optique avec ou sans optique. L’amplificateur pour fibre optique contient la source lumineuse et l’élément récepteur ainsi que l’unité de traitement du capteur. Les câbles à fibre optique servent exclusivement à envoyer et à recevoir de la lumière. Comme les fibres optiques ne contiennent pas de composants électroniques, les capteurs à fibre optique sont particulièrement adaptés aux applications dans des espaces confinés, dans des environnements exigeants ou là où d’autres capteurs ne peuvent pas être utilisés.

Comment fonctionnent les capteurs à fibre optique ?

En principe, les capteurs à fibre optique mesurent différentes grandeurs de lumière telles que la longueur d’onde et l’intensité afin d’en déduire d’autres valeurs de mesure. Dans l’automatisation industrielle, on utilise souvent le principe énergétique. L’émetteur, généralement une source de lumière LED, couple la lumière dans un câble à fibre optique. À l’extrémité du câble à fibre optique, la lumière s’échappe et rencontre soit un objet qui la réfléchit (principe de palpage/réflexion), soit elle est directement détectée par un récepteur (principe de barrage). La lumière renvoyée est ensuite dirigée vers l’unité de traitement où une photodiode mesure la quantité de lumière reçue. L’électronique compare en permanence cette quantité de lumière à une valeur de seuil définie et commute la sortie du capteur en conséquence.

Quels sont les avantages des capteurs à fibre optique ?

Installation flexible

Les capteurs à fibre optique sont extrêmement compacts et conviennent parfaitement à un montage dans des environnements industriels exigus. De plus, la grande flexibilité et le faible amortissement des câbles à fibre optique permettent également de grandes distances de transmission.

Grande fiabilité opérationnelle

Les capteurs à fibre optique sont extrêmement robustes et garantissent des performances fiables même dans des conditions ambiantes difficiles telles que des températures élevées, l’humidité et des fluides agressifs tels que les liquides de refroidissement ou les produits de nettoyage.

Compatibilité électromagnétique

Dans les câbles à fibre optique, la transmission du signal est purement optique, de sorte que les défis liés à la CEM ne jouent aucun rôle pour les capteurs à fibre optique. Ils sont également extrêmement insensibles aux perturbations électromagnétiques.

Câble à fibre optique vs petite cellule photoélectrique : Aperçu des technologies

	Câble à fibre optique	Petite cellule photoélectrique
Portée de mesure
Température ambiante
Montage nécessaire
Détection d’objets transparents
Détection des très petites pièces
Flexibilité et personnalisation

Portée de mesure
Câble à fibre optique	Petite cellule photoélectrique
Température ambiante
Câble à fibre optique	Petite cellule photoélectrique
Montage nécessaire
Câble à fibre optique	Petite cellule photoélectrique
Détection d’objets transparents
Câble à fibre optique	Petite cellule photoélectrique
Détection des très petites pièces
Câble à fibre optique	Petite cellule photoélectrique
Flexibilité et personnalisation
Câble à fibre optique	Petite cellule photoélectrique

Qu’est-ce qu’un amplificateur pour fibres optiques ?

Les amplificateurs pour fibres optiques, également appelés amplificateurs optiques, sont des composants qui amplifient les signaux dans les systèmes de communication optiques et jouent un rôle central dans la communication par fibre de verre. Ils augmentent ici la portée de transmission.

Dans le contexte de l’automatisation industrielle, les amplificateurs pour fibres optiques sont des capteurs qui utilisent des fibres optiques telles que les fibres optiques en verre ou les fibres optiques en plastique pour mesurer différentes grandeurs physiques telles que la pression, la température, l’allongement ainsi que la présence ou la position d’objets. Ils exploitent la capacité des fibres optiques à transmettre la lumière et détectent les changements dans le spectre ou la quantité de lumière.

Qu’entend-on par Multi Unit ?

Un réseau de capteurs, également appelé Multi Unit, se compose de plusieurs capteurs qui peuvent communiquer directement entre eux. Les capteurs n’interfèrent pas les uns avec les autres, même s’ils sont situés à proximité immédiate ou face à face et inspectent le même objet. Cela permet une coordination et une collaboration efficaces entre les capteurs. De plus, le câblage est réduit au minimum grâce au réseau de capteurs, car un seul câble est nécessaire pour la connexion au maître IO-Link. La transmission des niveaux de signal et des canaux de commutation de tous les capteurs raccordés s’effectue via les données de process IO-Link, un câble de connexion et un port sur le maître IO-Link. Cela optimise la transmission des données et réduit considérablement les coûts de câblage et d’installation.

Les capteurs s’influencent-ils mutuellement ?

Des câbles à fibre optique installés dans un espace restreint ou orientés sur le même point peuvent se perturber mutuellement. Les capteurs à fibre optique de wenglor sont équipés de diverses technologies pour réduire ou supprimer ces effets. Les séries P1XD0 et P1XD1 se synchronisent via leurs faisceaux lumineux, tandis que les capteurs de la série P1XD2 sont synchronisés via le bus interne en tant que le mode Multi Unit, ce qui exclut toute influence mutuelle. Il est recommandé d’éviter d’installer plusieurs têtes de capteur à proximité ou de les aligner sur le même objet à tester. Il est également possible d’utiliser des capteurs de la série P1XD2.

Qu’est-ce que le mode d’alignement ?

Pour une détection d’objet fiable, les câbles à fibre optique doivent être orientés exactement vers la cible. En particulier lors de l’utilisation du mode barrage, l’émetteur et le récepteur doivent être positionnés le plus exactement possible l’un par rapport à l’autre dans l’axe. Étant donné que l’amplificateur ou l’unité de traitement est souvent installé(e) dans l’armoire de commande ou en dehors du champ de vision, la configuration est souvent effectuée à la vue et à l’appréciation des opérateurs. Le mode d’alignement visualise l’intensité du signal par une pulsation de la lumière émise. Comme pour les capteurs de stationnement dans les voitures, la fréquence d’impulsion augmente avec l’intensité du signal reçu. L’angle et l’axe de la tête du capteur sont ajustés jusqu’à ce que l’alignement optimal soit atteint avec le signal maximal. Cela permet une configuration efficace et précise, même sur de grandes distances entre l’émetteur et le récepteur.

À quoi sert un adaptateur de rail normalisé ?

L’amplificateur est généralement monté sur des rails normalisés, également appelés rails DIN. L’installation s’effectue sans outil en encliquetant simplement et rapidement les amplificateurs sur le rail. En cas d’utilisation du mode Multi Unit, plusieurs amplificateurs pour fibres optiques peuvent ainsi être disposés côte à côte dans l’armoire de commande pour gagner de la place et éviter tout glissement.

Quels sont les avantages de différents types de lumière ?

Selon les exigences spécifiques de l’application, les capteurs à fibre optique wenglor utilisent de la lumière rouge, bleue, rose ou infrarouge.

Les LED rouges (633 nm) offrent une grande stabilité de processus, même avec des objets à tester très clairs ou blancs.
Les LED bleues (455 nm) sont particulièrement adaptées aux mesures précises sur des surfaces incandescentes, brillantes ou sombres, car elles pénètrent moins profondément dans l’objet à contrôler.
En mode lumière rose, les LED rouge et bleue sont activées simultanément pour augmenter la puissance lumineuse et améliorer la portée des capteurs.
La lumière infrarouge (supérieure à 750 nm) est invisible à l’œil nu, ce qui évite les distractions visuelles et les manipulations, ce qui est idéal pour les capteurs mobiles sur les préhenseurs robotisés ou les véhicules autonomes. De plus, grâce à sa puissance supérieure, elle permet une plus grande portée.

Qu’est-ce qu’un câble à fibre optique ?

Les câbles à fibre optique sont des fibres optiques composées d’un cœur conducteurs de lumière et d’une gaine, chacun présentant un indice de réfraction différent. La lumière est alors transportée à travers le cœur quasiment sans perte grâce à la réflexion totale sur la gaine. Lorsque la lumière sort du câble à fibre optique, elle est diffusée sous un angle d’ouverture d’environ 60 degrés.

Qu’est-ce que l’indice de réfraction ?

L’indice de réfraction décrit la mesure dans laquelle les rayons lumineux changent de direction lorsqu’ils passent d’un fluide à un autre. Il est défini par le rapport entre la vitesse de la lumière dans le vide c et la vitesse de la lumière dans le fluide considéré v. L’indice de réfraction n est indimensionnel et varie en fonction de facteurs tels que la température et la longueur d’onde de la lumière.

Pour déterminer l’indice de réfraction, on utilise la formule physique suivante :

n = v/c

Qu’est-ce que l’angle d’ouverture ?

L’angle d’ouverture se rapporte à l’angle sous lequel la lumière sort de la fibre optique. Un grand angle d’ouverture offre l’avantage de permettre une détection fiable, même d’objets hétérogènes à courte distance. De plus, la manipulation est simple, car indépendante de l’orientation de l’appareil. Cependant, la puissance lumineuse se répartit rapidement sur une grande surface, ce qui réduit la portée, car la lumière ne reste pas concentrée.

Pour contrôler ce grand angle d’ouverture, des lentilles sont utilisées pour focaliser ou collimater la lumière si nécessaire. Cela permet de détecter de très petits objets ou d’augmenter considérablement la portée du câble à fibre optique.

Comparaison des fibres optiques

Les câbles à fibre optique en plastique sont parfaits pour la détection d’objets dans des applications à faible encombrement. Les câbles à fibre optique en verre, en revanche, font leurs preuves dans des conditions ambiantes difficiles avec des températures élevées et offrent une résistance chimique. Grâce à ces avantages et à d’autres encore, ces matériaux offrent de nombreuses possibilités d’application pour répondre aux exigences les plus diverses.

Câble à fibre optique en fibre de verre

Transmission de lumière visible et de lumière infrarouge

Tolère les plages de températures extrêmes

Convient aux environnements industriels corrosifs ou humides

Atténuation particulièrement faible dans la zone de la lumière infrarouge

Risque de rupture en cas de flexion importante ou répétée

Câble à fibre optique en plastique

Transmission de la lumière visible

Tolère moins les plages de températures extrêmes

Ne convient pas aux environnements industriels corrosifs ou humides

Atténuation particulièrement faible dans la zone de la lumière visible

Peut être plié de manière répétée grâce à sa grande flexibilité

Fibres parallèles

Dans ce type de réflexion, les fibres sont parallèles les unes aux autres pour transmettre des signaux lumineux. Cette disposition de fibres est disponible en tant que fibre optique en plastique et en fibre de verre et est utilisée dans la plupart des applications standard.

Fibres coaxiales

Le type de réflexion coaxiale est une méthode de mesure de haute précision composée d’un cœur (émetteur) et d’une zone environnante (récepteur). Dans ce type, le sens d’entrée de l’objet testé dans la plage de mesure n’a aucune importance pour la position du capteur à fibre optique.

Fibres mélangées

Le type de réflexion mixte se réfère à une structure de fibre de verre dans laquelle de nombreuses fibres émettrices et réceptrices sont disposées sans séparation. La position et la distance du câble à fibre optique par rapport à l’objet sont moins importantes. La zone de l’image est très petite ou inexistante.

Effet du diamètre des fibres / du diamètre du faisceau de fibres

Plus le diamètre du cœur de la fibre optique est grand, plus la capacité du câble à transporter la lumière est élevée. Cela permet d’augmenter la portée et d’améliorer la détection des objets noir profond. Certaines têtes de câble à fibre optique, telles que les bandes lumineuses, nécessitent donc plus de fibres et donc un diamètre plus grand.

Que signifie le rayon de courbure ?

Le rayon de courbure détermine la force de courbure d’un câble sans l’endommager ni affecter la qualité du signal. Une courbure excessive d’un câble à fibre optique risque de casser le gaine de la fibre dans le câble et d’émettre de la lumière à partir du cœur de la fibre. Cela peut entraîner non seulement un amortissement accru, mais aussi des microfissures dans le cœur de la fibre, ce qui entraîne des dommages permanents. C’est pourquoi il est important de respecter le rayon de courbure, en particulier pour les câbles à fibre optique en fibre de verre.

Quelle est la structure des câbles à fibre optique ?

Fibres optiques plastiques

Fibres optiques verre

Quels types de gaines existe-t-il pour les câbles à fibre optique en fibre de verre ?

Plastique PVC

La variante la plus économique. Convient aux applications standard qui ne nécessitent pas de résistance particulière aux influences environnementales.

Acier inoxydable

Offre la meilleure protection contre les contraintes mécaniques. Moins flexible dans la pose, car des rayons de courbure plus grands sont nécessaires. Pas de protection contre les gaz ou les liquides.

Silicone

Résistance maximale aux milieux agressifs. Absolument étanche, de sorte que les fluides et les gaz ne peuvent pas pénétrer dans la gaine et endommager les fibres optiques. Conforme aux exigences de la FDA.

Quels sont les modes de fonctionnement des capteurs à fibre optique ?

Mode réflexion

En mode tactile, l’émetteur et le récepteur sont logés dans un boîtier. La lumière émise par l’émetteur frappe l’objet à contrôler et est renvoyée au récepteur. La détection de l’objet s’effectue sur la base de la quantité de lumière réfléchie qui atteint le récepteur du câble à fibre optique.

Mode barrage

Le modèle de cellule photoélectrique se compose d’un émetteur et d’un récepteur opposés. Dès que l’objet à contrôler traverse l’espace entre l’émetteur et le récepteur, la lumière du câble à fibre optique est interrompue. La détection s’effectue ensuite par diminution de l’intensité lumineuse reçue.

Barrage sur réflecteur

Avec le principe du barrage sur réflecteur, l’émetteur et le récepteur se trouvent dans un boîtier, tandis qu’un réflecteur est positionné du côté opposé. L’objet à contrôler est détecté lorsque la lumière réfléchie par le réflecteur est complètement interrompue ou réduite.

Bandes lumineuses

Les bandes lumineuses servent à surveiller certaines zones. Contrairement aux spots lumineux qui ne surveillent la présence d’un objet qu’à l’intérieur d’un point, les bandes lumineuses détectent des zones de plusieurs centimètres. Le capteur détecte l’objet dès que le signal est affaibli ou complètement interrompu.

Comparaison du réajustement dynamique et de la détection des sauts

Le réajustement dynamique et la détection de saut conviennent à la détection fiable d’objets dans des conditions environnementales changeantes. Lors du réajustement dynamique, une valeur de seuil quasi fixe est utilisée, tandis que la détection de saut n’a pas de valeur de seuil et analyse exclusivement les modifications du signal.

Point de commutation fixe

Le mode de fonctionnement le plus courant d’un capteur est basé sur un point de commutation fixe. Le capteur détermine la valeur de seuil ou le point de commutation selon une logique d’apprentissage prédéfinie pendant le processus d’apprentissage. Dans le cas de l’apprentissage normal, cette valeur de seuil ou ce point de commutation correspond par exemple à 50 % du signal actuel. Si les conditions ambiantes ainsi que les objets à détecter sont très constants, le mode de fonctionnement avec un point de commutation fixe offre la plus grande insensibilité aux perturbations, car les influences extérieures ne peuvent pas modifier le point de commutation : Si le signal est supérieur au seuil défini, la sortie est activée ; s’il est inférieur, la sortie reste inactive. Si le signal est modifié, par exemple en raison d’un encrassement, des erreurs de commutation permanentes peuvent se produire.

Réajustement dynamique

Le réajustement dynamique est particulièrement adapté au mode réflexion avec arrière-plans statiques ainsi qu’au mode barrage. L’état non commuté doit prévaloir, car la valeur de seuil n’est réajustée que dans cet état. En cas d’encrassement de la tête du câble à fibre optique ou de l’arrière-plan, celui-ci est compensé par l’adaptation dynamique de la valeur de seuil.

Détection de saut

Lors de la détection de saut, les valeurs de signal absolues ne sont pas importantes. Au lieu de cela, le sens de la modification du signal (négatif, positif ou les deux sens), l’importance de la modification et la période considérée peuvent être pris en compte dans l’évaluation. Cela permet la détection d’objets très variables (par ex. couleur ou propriétés des surfaces) sur des arrière-plans non statiques (comme un convoyeur à encrassement lent) ainsi que la détection d’objets sans apprentissage préalable (par ex. en cas de changement de lot).

Vue d’ensemble des têtes de câbles à fibre optique

Coudé

Les têtes de capteurs coudées sont idéales pour les espaces exigus où l’axe optique et la sortie de câble doivent être orientés différemment. Grâce au filetage, les têtes de capteurs peuvent être facilement vissées dans des trous préparés ou fixées à un angle ou à une tôle à l’aide de deux écrous.

Type L

Le type L permet un montage facile à l’aide de deux vis et offre des positions prédéfinies des axes optiques. Grâce au grand angle d’ouverture des câbles à fibre optique, un alignement précis n’est pas nécessaire.

Plate

Les têtes de capteurs plates s’intègrent facilement dans le fond du porte-pièce. La flexibilité de la sortie de câble sur la tête du capteur permet un acheminement facile du câble vers la gauche, la droite ou l’arrière.

Flexible

La fine et longue sonde métallique peut être adaptée aux exigences spécifiques de l’application en la pliant simplement.

Bandes lumineuses

Les bandes lumineuses basées sur le principe de barrières unidirectionnelles sont idéales pour la surveillance de grandes zones. En revanche, les bandes lumineuses tactiles sont particulièrement efficaces pour la détection d’objets hétérogènes et peuvent également être utilisées pour des applications de mesure grâce à l’évaluation de la lumière réfléchie.

Miniature

Les têtes de capteurs miniatures sont particulièrement adaptées aux applications dans les espaces les plus exigus.

Filetage

Les têtes de capteurs filetées permettent une installation rapide et simple. Elles peuvent être vissées directement dans des trous prépercés ou fixés à des équerres ou des tôles à l’aide de deux écrous.

Lisse

Les têtes de capteurs lisses sont idéales pour une utilisation dans des espaces confinés et peuvent être insérées ou collées dans des supports de montage préfabriqués.

Les points à surveiller lors du montage de capteurs à fibre optique

Pour garantir une détection d’objet fiable et des données de mesure précises, il convient de respecter les consignes suivantes lors du montage du capteur.

Longueur et sections

Les câbles à fibre optique sont disponibles en différentes longueurs. Les câbles à fibre optique en plastique peuvent être découpés par le client, les câbles à fibre optique en verre uniquement en usine, car ils doivent être poncés et polis après la coupe. La longueur a peu d’influence sur la plage de détection, mais les câbles à fibre optique plus longs laissent passer moins de lumière.

Conseil : Sélectionner le câble à fibre optique en fibre de verre approprié.

Plage de détection

En raison du grand angle d’ouverture, les câbles à fibre optique présentent de faibles plages de détection. Des plages de détection plus élevées peuvent être obtenues grâce à des faisceaux de fibres/diamètres de cœur plus grands ou à des lentilles qui focalisent la lumière.

Conseil : Utiliser les câbles à fibre optique principalement pour les courtes portées et la détection des plus petites pièces.

Rayon de courbure

Les câbles à fibre optique sont flexibles, mais des rayons de courbure minimaux doivent être respectés pour éviter les dommages et les pertes de lumière. Les câbles à fibre optique en plastique ultra flexible conviennent aux rayons de courbure étroits ou aux montages mobiles. En règle générale : Des diamètres plus petits permettent des rayons de courbure plus petits.

Conseil : Monter des câbles à fibre optique ultra flexibles.

Température

Les câbles à fibre optique en plastique et en fibre de verre se distinguent par leur résistance à la température. Au-dessus de 85 °C, il convient d’utiliser des câbles à fibre optique en fibre de verre avec gaine en acier inoxydable ou en silicone.

Conseil : Grâce à des longueurs individuelles, l’unité de traitement peut également être placée dans l’armoire électrique.

Orientation du capteur

En mode réflexion, l’émetteur et le récepteur doivent être installés à un angle de 90° par rapport à l’objet à tester en cas d’approche latérale, afin de garantir un comportement d’enclenchement et de coupure uniforme.

Conseil : Un alignement planaire par rapport à l’objet entraîne un décalage avec une activation et une désactivation retardées.

Câble avec émetteur dédié

Pour les têtes de câble à fibre optique à émission de lumière coaxiale et pour certaines bandes lumineuses, il est impératif de veiller à l’affectation correcte de l’émetteur sur la tête de câble à fibre optique à l’émetteur sur l’amplificateur.

Conseil : Les amplificateurs sont marqués par des flèches à cet effet.

Secteurs et industries dans lesquels des capteurs à fibre optique sont utilisés

Industrie métallurgique

Dans le cadre de la fabrication de profilés métalliques, la présence et les dimensions des objets doivent être détectées avant leur immobilisation par un dispositif de serrage. Les profilés peuvent être noirs, blancs, chromés, brillants ou mats. Dans les espaces confinés, on utilise à cet effet des rideaux de câbles à fibre optique en fibre de verre, qui fonctionnent selon le principe émetteur-récepteur, ainsi qu’un capteur reflex universel. Les fibres optiques sont disposées sur une ligne, créant ainsi une bande lumineuse. La largeur est mesurée, le signal linéaire est émis proportionnellement à la couverture de la fibre optique et permet de déterminer la position correcte.

Industrie électronique

Dans l’industrie électronique, les plaques de circuits imprimés acheminés sur des modules de transport doivent être détectées à plusieurs stations pour garantir le bon déroulement du transport. À cet effet, un câble à fibre optique coudé avec émetteur et récepteur (mode barrage) est monté dans les parois latérales étroites de chaque station. Les câbles à fibre optique sont reliés en multiplex à un amplificateur pour fibres optiques central situé à l’extérieur du convoyeur – ce qui exclut toute interférence mutuelle et garantit une détection fiable des circuits imprimés à chaque station.

Quels objets ne peuvent pas être détectés de manière optimale par les capteurs à fibre optique ?

L’eau et d’autres liquides clairs qui absorbent fortement la lumière ou la modifient par réfraction peuvent entraîner des mesures inexactes.
Les objets hautement transparents, tels que le verre transparent, qui laissent passer toute la lumière sans la réfléchir, compliquent la détection.
Les objets noir profond qui absorbent fortement la lumière entrante et ne la reflètent que très peu, voire pas du tout, entravent le retour du signal vers le capteur.
Les objets très brillants qui réfléchissent la lumière dans des directions imprévisibles empêchent une détection d’objet précise.

Comparaison des produits

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