text.skipToContent text.skipToNavigation

Tecnologia dei sensori a fibra ottica

I sensori a fibra ottica rilevano oggetti e condizioni indirizzando la luce su un oggetto di prova e valutando la variazione di intensità della luce di ritorno. Sono in grado di rilevare oggetti molto piccoli, sono particolarmente flessibili da montare e estremamente resistenti in ambienti difficili, anche a temperature elevate, umidità o fluidi umidi.

Che cosa sono i sensori a fibra ottica?

I sensori a fibre ottiche sfruttano le proprietà fisiche della luce durante la trasmissione attraverso fibre ottiche in vetro o plastica per rilevare gli oggetti. Sono composti da un amplificatore a fibre ottiche e da fibre ottiche con o senza ottica. L’amplificatore a fibre ottiche contiene la sorgente luminosa e l’elemento ricevente nonché l’unità di elaborazione del sensore. Le fibre ottiche sono destinate esclusivamente all’invio e alla ricezione di luce. Poiché i cavi a fibre ottiche non contengono componenti elettronici, i sensori a fibra ottica sono particolarmente adatti per applicazioni in spazi ristretti, in ambienti difficili o dove non è possibile utilizzare altri sensori.

Come funzionano i sensori a fibra ottica?

In linea di principio, i sensori a fibra ottica misurano diverse grandezze luminose, come lunghezza d’onda e intensità, per ricavarne altri valori misurati. Nell’automazione industriale viene spesso utilizzato il principio energetico. L’emettitore, solitamente una fonte di luce a LED, accoppia la luce in una fibra ottica. All’estremità della fibra ottica la luce fuoriesce e colpisce un oggetto che la riflette (principio di rilevamento/riflessione) oppure viene rilevata direttamente da un ricevitore (principio della barriera unidirezionale). La luce restituita viene quindi condotta alla centralina di analisi, dove un fotodiodo misura la quantità di luce ricevuta. L’elettronica confronta costantemente questa quantità di luce con un valore di soglia predefinito e commuta di conseguenza l’uscita del sensore.

Quali sono i vantaggi dei sensori a fibra ottica?

Installazione flessibile

I sensori a fibra ottica sono estremamente compatti e sono ideali per l’installazione in ambienti industriali ristretti. Inoltre, grazie all’elevata flessibilità e al basso smorzamento delle fibre ottiche, sono possibili anche lunghe distanze di trasmissione.

Affidabilità operativa superiore

I sensori a fibra ottica sono estremamente resistenti e garantiscono prestazioni affidabili anche in condizioni ambientali difficili come temperature elevate, umidità e fluidi aggressivi come lubrorefrigeranti o detergenti.

Compatibilità elettromagnetica

Nei cavi a fibre ottiche, la trasmissione del segnale è puramente ottica, il che rende irrilevanti le sfide legate all’EMC nei sensori a fibra ottica. Inoltre, sono estremamente insensibili ai disturbi elettromagnetici.

Cavo a fibre ottiche vs. fotoelettricità piccola: Panoramica delle tecnologie

	Fibre ottiche	Fotocellula piccola
Campo di misurazione
Temperatura ambientale
Operazione di montaggio
Riconoscimento di oggetti trasparenti
Riconoscimento di piccoli oggetti
Flessibilità e personalizzazione

Campo di misurazione
Fibre ottiche	Fotocellula piccola
Temperatura ambientale
Fibre ottiche	Fotocellula piccola
Operazione di montaggio
Fibre ottiche	Fotocellula piccola
Riconoscimento di oggetti trasparenti
Fibre ottiche	Fotocellula piccola
Riconoscimento di piccoli oggetti
Fibre ottiche	Fotocellula piccola
Flessibilità e personalizzazione
Fibre ottiche	Fotocellula piccola

Che cosa sono gli amplificatori a fibre ottiche?

Gli amplificatori a fibra ottica, noti anche come amplificatori ottici, sono componenti che amplificano i segnali nei sistemi di comunicazione ottica e svolgono un ruolo centrale nella comunicazione in fibra ottica. In questo caso aumentano la portata di trasmissione.

Nel contesto dell’automazione industriale, gli amplificatori a fibre ottiche sono sensori che utilizzano fibre ottiche come la fibra ottica in vetro o la fibra ottica in plastica per misurare diverse grandezze fisiche come la pressione, la temperatura, l’estensione e la presenza o la posizione di oggetti. Sfruttano la capacità dei cavi a fibre ottiche di trasmettere la luce, rilevando le variazioni dello spettro o della quantità di luce.

Che cosa si intende per multi-unità?

Un gruppo di sensori, chiamato anche multi-unità, è composto da diversi sensori che possono comunicare direttamente tra loro. In questo modo, i singoli sensori non si interferiscono tra loro, anche se si trovano nelle immediate vicinanze o l’uno di fronte all’altro e ispezionano lo stesso oggetto. Ciò consente un coordinamento e una collaborazione efficienti tra i sensori. Inoltre, il cablaggio è ridotto al minimo grazie al sistema di sensori, poiché è necessario solo un cavo per il collegamento all’IO-Link master. La trasmissione dei livelli di segnale e dei canali di commutazione di tutti i sensori collegati avviene tramite i dati di processo IO-Link, un cavo di collegamento e una porta sull’IO-Link master. Ciò ottimizza la trasmissione dei dati e riduce notevolmente i costi di cablaggio e installazione.

I sensori si influenzano a vicenda?

In caso di fibre ottiche montate a stretto contatto o orientate sullo stesso punto, possono verificarsi interferenze reciproche. I sensori a fibra ottica wenglor sono dotati di diverse tecnologie per ridurre o eliminare questi effetti. Le serie P1XD0 e P1XD1 si sincronizzano tramite i loro fasci di luce, mentre i sensori della serie P1XD2 con la modalità multi-unità si sincronizzano tramite il bus interno, eliminando l’interferenza reciproca. Si consiglia di evitare il montaggio ravvicinato di più teste del sensore o l’allineamento sullo stesso oggetto da testare. In alternativa, è possibile utilizzare sensori della serie P1XD2.

Cos’è la modalità di allineamento?

Per un riconoscimento dell’oggetto affidabile, le fibre ottiche devono essere allineate esattamente al target. Soprattutto quando si utilizza il principio della barriera, l’emettitore e il ricevitore devono essere posizionati il più possibile assialmente l’uno rispetto all’altro. Poiché l’amplificatore o la centralina di analisi sono spesso installati all’interno dell’armadio elettrico o al di fuori del campo visivo, la configurazione viene spesso effettuata a giudizio degli operatori. La modalità di allineamento visualizza l’intensità del segnale tramite una pulsazione della luce trasmessa. Analogamente ai sensori di parcheggio dell’auto, la frequenza degli impulsi aumenta con l’intensità del segnale ricevuto. La testa del sensore viene regolata in angolo e asse fino a raggiungere l’allineamento ottimale con il segnale massimo. Ciò consente una configurazione efficiente e precisa anche a distanze maggiori tra emettitore e ricevitore.

A cosa serve un adattatore per guida DIN?

L'unità amplificatore viene solitamente montata su guide DIN standardizzate. L’installazione avviene senza l’uso di attrezzi, facendo scattare gli amplificatori sulla guida in modo semplice e rapido. Utilizzando la modalità multi-unità, è possibile disporre più amplificatori a fibre ottiche uno accanto all’altro nell’armadio elettrico in modo da risparmiare spazio e non scivolare.

Quali sono i vantaggi dei diversi tipi di luce?

A seconda dei requisiti specifici dell’applicazione, i sensori a fibre ottiche wenglor utilizzano luce rossa, blu, rosa o infrarossa.

I LED rossi (633 nm) offrono un’elevata stabilità del processo, anche con oggetti molto luminosi o bianchi.
I LED blu (455 nm) sono particolarmente adatti per misure precise su superfici incandescenti, lucide o scure, in quanto penetrano meno in profondità nell’oggetto da testare.
In modalità luce rosa, i LED rossi e blu vengono attivati contemporaneamente per aumentare la potenza luminosa e migliorare la portata dei sensori.
La luce infrarossa (oltre 750 nm) è invisibile all’occhio umano, evitando distrazioni visive e manipolazioni, ideale per i sensori in movimento su pinze robotizzate o veicoli autonomi. Inoltre, grazie alla sua maggiore potenza, consente una maggiore portata.

Cosa sono i cavi a fibre ottiche?

Le fibre ottiche sono fibre ottiche costituite da un nucleo e da una guaina che conducono la luce, ciascuna delle quali presenta un diverso indice di rifrazione. La luce viene trasportata attraverso il nucleo quasi senza perdite grazie alla riflessione totale sull’involucro. All’uscita dalla fibra ottica, la luce viene diffusa con un angolo di apertura di circa 60 gradi.

Cos’è l’indice di rifrazione?

L’indice di rifrazione descrive l’entità con cui i raggi di luce cambiano direzione quando passano da un medium all’altro. È definito dal rapporto tra la velocità della luce nel vuoto c e la velocità della luce nel medium v. L’indice di rifrazione n è adimensionale e varia in base a fattori come la temperatura e la lunghezza d’onda della luce.

Per determinare l’indice di rifrazione viene utilizzata la seguente formula fisica:

n = v/c

Cos’è l’angolo ottico?

L’angolo di apertura si riferisce all’angolo al di sotto del quale la luce esce dalla fibra ottica. Un ampio angolo di apertura offre il vantaggio di consentire un rilevamento affidabile anche di oggetti eterogenei a distanza ravvicinata. Inoltre, la manipolazione è semplice, poiché l’orientamento dello strumento non è determinante. Tuttavia, la potenza luminosa si distribuisce rapidamente su un’ampia area, riducendo la portata poiché la luce non rimane concentrata.

Per controllare questo ampio angolo di apertura, vengono utilizzate lenti che, se necessario, focalizzano o collimano la luce. Ciò consente di rilevare oggetti molto piccoli o di aumentare notevolmente la portata dei cavi a fibre ottiche.

Confronto tra fibre ottiche

Le fibre ottiche in plastica sono ideali per il rilevamento di oggetti in applicazioni con ingombro ridotto. Le fibre ottiche in vetro, invece, si dimostrano efficaci in condizioni ambientali difficili con temperature elevate e offrono resistenza chimica. Questi e altri vantaggi di questi materiali aprono numerose possibilità di applicazione che soddisfano le più svariate esigenze.

Cavo a fibre ottiche

Trasmissione di luce visibile e luce infrarossa

Tolleranza a fasce di temperatura estreme

Adatto per ambienti industriali corrosivi o umidi

Attenuazione particolarmente bassa nella zona della luce infrarossa

Possibile rottura dovuta a piegatura brusca o ripetuta

Cavo a fibre ottiche in plastica

Trasmissione della luce visibile

Meno tollerante alle fasce di temperatura estreme

Non adatto per ambienti industriali corrosivi o umidi

Attenuazione particolarmente bassa nella zona della luce visibile

Possibilità di piegature ripetute grazie all’elevata flessibilità

Fibre parallele

In questo tipo di riflessione, le fibre sono parallele l’una all’altra per trasmettere segnali luminosi. Questa disposizione delle fibre è disponibile sia come fibra ottica in plastica che in vetro ed è utilizzata nella maggior parte delle applicazioni standard.

Fibre coassiali

Il tipo di riflessione coassiale è un metodo di misura ad alta precisione composto da un nucleo (emettitore) e un’area circostante (ricevitore). In questo tipo, la direzione di ingresso dell’oggetto da testare nel campo di misurazione non ha alcuna importanza per la posizione del sensore a fibre ottiche.

Fibre miste

Il tipo di riflessione mista si riferisce a una struttura in fibra di vetro in cui molte fibre di trasmissione e ricezione sono disposte senza separazione. La posizione e la distanza della fibra ottica dall’oggetto sono meno rilevanti. L’area dell’immagine è molto piccola o mancante.

Effetto diametro della fibra / diametro del fascio

Più grande è il diametro del nucleo a fibre ottiche, più luce può essere trasportata attraverso il cavo. Ciò comporta una maggiore portata e un migliore riconoscimento di oggetti di colore nero intenso. Per determinate teste a fibre ottiche, come ad es. i conduttori di luce, sono quindi necessarie più fibre e quindi un diametro maggiore.

Cosa indica il raggio di curvatura?

Il raggio di curvatura determina quanto un cavo può essere piegato senza danneggiarlo o compromettere la qualità del segnale. Se una fibra ottica viene piegata eccessivamente, sussiste il rischio che la guaina in fibra nel cavo si rompa e che la luce fuoriesca dall’anima della fibra ottica. Ciò può causare non solo un maggiore smorzamento, ma anche microcrepe nell’anima della fibra, con conseguenti danni permanenti. Pertanto, è importante rispettare il raggio di curvatura, in particolare per le fibre ottiche in vetro.

Come sono strutturate le fibre ottiche?

Cavi a fibre ottiche in plastica

Cavi a fibre ottiche in vetro

Quali tipi di guaina esistono per le fibre ottiche in vetro?

Plastica, PVC

La variante più economica. Adatto per applicazioni standard che non richiedono una particolare resistenza agli agenti ambientali.

Acciaio inox

Offre la massima protezione contro le sollecitazioni meccaniche. Meno flessibilità nella posa, poiché sono necessari raggi di curvatura più ampi. Nessuna protezione da gas o liquidi.

Silicone

Resistenza massima alle sostanze aggressive. Completamente ermetico, in modo che fluidi e gas non possano penetrare nella guaina e danneggiare le fibre ottiche. Conforme a FDA.

Quali sono i principi di funzionamento dei sensori a fibra ottica?

Principio di tasteggio

Nel funzionamento a tasti, emettitore e ricevitore sono alloggiati in una custodia. La luce emessa dall’emettitore colpisce l’oggetto da sottoporre a test e viene rimandata al ricevitore. Il rilevamento dell’oggetto avviene in base alla quantità di luce riflessa che raggiunge il ricevitore della fibra ottica.

Principio barriera unidirezionale

Il modello a fotocellula è composto da un emettitore e da un ricevitore opposti. Non appena l’oggetto di prova attraversa lo spazio tra emettitore e ricevitore, la luce della fibra ottica viene interrotta. Il riconoscimento avviene quindi tramite la riduzione dell’intensità luminosa ricevuta.

Barriera catarifrangente

Nel principio delle barriere catarifrangenti, emettitore e ricevitore si trovano in una custodia, mentre sul lato opposto viene posizionato un riflettore. L’oggetto di prova viene riconosciuto quando la luce riflessa dal catarifrangente viene interrotta completamente o ridotta.

Conduttori di luce

I nastri conduttori di luce servono a monitorare le aree. A differenza dei punti luce, che monitorano la presenza dell’oggetto solo all’interno di un punto, i nastri conduttori di luce rilevano diversi centimetri. Il sensore rileva l’oggetto non appena il segnale si attenua o si interrompe completamente.

Confronto tra regolazione dinamica e riconoscimento dei salti

Sia la regolazione dinamica che il riconoscimento dei salti sono adatti per il riconoscimento affidabile di oggetti in condizioni ambientali variabili. Nella postregolazione dinamica viene utilizzato un valore di soglia quasi fisso, mentre il riconoscimento dei salti non prevede alcun valore di soglia e valuta invece esclusivamente le variazioni del segnale.

Punto di commutazione fisso

La modalità di funzionamento più diffusa di un sensore si basa su un punto di commutazione fisso. Durante il processo di teach-in, il sensore determina il valore di soglia o il punto di commutazione in base a una logica di teach-in predefinita. Nel teach-in normale, ad esempio, esso corrisponde al 50% del segnale attuale. Se le condizioni ambientali e gli oggetti da rilevare sono molto costanti, la modalità di funzionamento con un punto di commutazione fisso offre la massima insensibilità ai disturbi, poiché gli influssi esterni non possono modificare il punto di commutazione: Se il segnale è superiore alla soglia impostata, l’uscita viene attivata; se è inferiore, l’uscita rimane inattiva. Tuttavia, se il segnale viene modificato, ad esempio a causa di sporco, possono verificarsi errori di innesto permanenti.

Riadeguamento dinamico

La regolazione dinamica è particolarmente adatta per il principio di tasteggio con sfondi statici e per il principio a barriera. Lo stato non inserito dovrebbe prevalere, in quanto il valore di soglia viene regolato solo in questo stato. La presenza di sporco sulla testa della fibra ottica o sullo sfondo viene compensata dall’adattamento dinamico del valore di soglia.

Rilevamento dei salti

Per il riconoscimento del salto i valori assoluti del segnale non sono rilevanti. La direzione della variazione del segnale (negativa, positiva o entrambe le direzioni), l’entità della variazione e il periodo di osservazione possono invece essere considerati nella valutazione. Ciò consente il rilevamento di oggetti molto variabili (ad esempio, colore o natura della superficie) su sfondo non statico (come un nastro trasportatore che si sporca lentamente) e il rilevamento di oggetti senza apprendimento preliminare (ad esempio, con lotti variabili).

Panoramica delle teste delle fibre ottiche

Angolo

Le teste del sensore angolate sono ideali per spazi ristretti in cui l’asse ottico e l’uscita cavo devono essere orientati in modo diverso. Grazie alla filettatura, le teste dei sensori possono essere facilmente avvitate nei fori predisposti o fissate a un angolo o a una lamiera con due dadi.

Tipo a L

Il tipo L consente un facile montaggio con due viti e offre posizioni predefinite degli assi ottici. Grazie all’ampio angolo di apertura delle fibre ottiche non è necessario un allineamento esatto.

Piatto

Le teste dei sensori piatte si integrano facilmente nel fondo del portapezzi. La flessibilità dell’uscita cavo sulla testa del sensore consente una facile posa del cavo verso sinistra, destra o dietro.

Pieghevole

La sonda metallica sottile e lunga può essere adattata alle esigenze specifiche della rispettiva applicazione con una semplice piegatura.

Conduttori di luce

I nastri a conduzione di luce basati sul principio della barriera unidirezionale sono ideali per il monitoraggio di ampie aree. I nastri conduttori di luce a contatto, invece, sono particolarmente efficaci nel riconoscimento di oggetti eterogenei e possono essere utilizzati anche per applicazioni di misura grazie alla valutazione della luce riflessa.

Miniatura

Le teste dei sensori in formato miniaturizzato sono particolarmente adatte per applicazioni in spazi ristretti.

Filettatura

Le teste dei sensori filettate consentono un’installazione rapida e semplice. Possono essere avvitate direttamente nei fori preforati o fissate a angolari o lamiere con l’ausilio di due dadi.

Liscia

Le teste del sensore lisce sono ideali per l’uso in spazi ristretti e possono essere inserite o incollate in staffe di montaggio prefabbricate.

Questo deve essere osservato quando si installano i sensori a fibra ottica

Per garantire un riconoscimento dell’oggetto affidabile e dati di misurazione precisi, è necessario osservare le seguenti avvertenze durante il montaggio del sensore.

Lunghezze e tagli

Le fibre ottiche sono disponibili in diverse lunghezze. Le fibre ottiche in plastica possono essere tagliate a misura dal cliente, le fibre ottiche in vetro solo per uso industriale, poiché dopo il taglio devono essere rettificate e lucidate. La lunghezza influisce poco sulla portata, ma le fibre ottiche più lunghe lasciano passare meno luce.

Suggerimento: Selezionare la fibra ottica idonea.

Portata

A causa dell’ampio angolo di apertura, le fibre ottiche hanno solo una portata ridotta. Lunghezze di portata maggiori possono essere ottenute con fasci di fibre/diametri del nucleo più grandi o con lenti che focalizzano la luce.

Suggerimento: Utilizzare la fibra ottica prevalentemente per brevi distanze di portata e per il riconoscimento di piccoli pezzi.

Raggio di piegatura

Le fibre ottiche sono flessibili, ma è necessario rispettare raggi di curvatura minimi per evitare danni e perdite di luce. Il cavo a fibre ottiche in plastica High-Flex è adatto per raggi di curvatura stretti o installazioni mobili. In linea di massima vale: I diametri più piccoli consentono raggi di curvatura più piccoli.

Suggerimento: Montaggio di cavi a fibre ottiche High-Flex.

Temperatura

Le fibre ottiche in plastica e in vetro si differenziano per la loro resistenza alla temperatura. Per temperature superiori a 85 °C, utilizzare fibre ottiche con guaina in acciaio inossidabile o silicone.

Suggerimento: Grazie alle lunghezze personalizzate, la centralina di analisi può essere posizionata anche nell'armadio elettrico.

Allineamento del tasteggio

Con il principio di tasteggio, l’emettitore e il ricevitore devono essere installati ad un angolo di 90° rispetto all’oggetto da testare in caso di avvicinamento laterale, per garantire un comportamento di inserimento e disinserimento uniforme.

Suggerimento: Un allineamento planare rispetto all’oggetto produce un offset con accensione e spegnimento ritardati.

Cavo con emettitore dedicato

Per le teste delle fibre ottiche con emissione luminosa coassiale e per determinate linee ottiche è assolutamente necessario prestare attenzione alla corretta assegnazione dell’emettitore sulla testa della fibra ottica all’emettitore sull’amplificatore.

Suggerimento: Gli amplificatori sono contrassegnati con frecce.

Settori e industrie in cui vengono utilizzati i sensori a fibra ottica

Industria metallurgica

Nella realizzazione di profili in metallo è necessario rilevare la presenza e le dimensioni degli oggetti prima di fissare un dispositivo di serraggio. I profili possono essere nero, bianco, cromato, lucido o opaco. In spazi angusti vengono utilizzate barriere fotoelettriche in vetro che funzionano secondo il principio emettitore-ricevitore, insieme a un sensore universale. Le fibre ottiche sono allineate una di fronte all’altra in modo da formare una linea ottica. Viene misurata la larghezza e il segnale lineare viene emesso proporzionalmente alla copertura in fibra di vetro per determinare la posizione corretta.

Industria elettronica

Nel settore dell’elettronica, i circuiti stampati elettronici sui moduli di trasporto devono essere riconosciuti da più stazioni per garantire un trasporto sicuro. A questo scopo, un cavo a fibre ottiche angolato ciascuno con emettitore e ricevitore (principio di funzionamento a sbarramento) è montato lateralmente nelle pareti laterali strette per ogni stazione. I cavi a fibre ottiche vengono fatti funzionare in multiplex con amplificatori a fibre ottiche al di fuori della distanza di trasporto, in modo da escludere influenze reciproche e garantire un rilevamento sicuro dei circuiti stampati in ogni singola stazione.

Quali oggetti non vengono riconosciuti bene dai sensori a fibra ottica?

L’acqua e altri liquidi limpidi che assorbono fortemente la luce o ne modificano il percorso attraverso la rifrazione possono causare misurazioni imprecise.
Gli oggetti altamente trasparenti, come il vetro trasparente, che lasciano passare tutta la luce senza rifletterla, rendono più difficile la rivelazione.
Gli oggetti di colore nero intenso che assorbono molto la luce incidente e la riflettono scarsamente o non la riflettono affatto ostacolano il ritorno del segnale al sensore.
Oggetti molto lucidi che riflettono la luce in direzioni imprevedibili impediscono un riconoscimento dell’oggetto preciso.

Confronto dei prodotti

3/4

4/4

5/4

6/4