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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. 
Définition
Comparaison des technologies
Amplificateurs pour fibres optiques
Câbles à fibre optique
Functional Principles
Fiber-Optic Heads
Installation
Branchen

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
 

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.

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.

Glass Fiber-Optic Cables

Transmission of visible light and infrared light
Tolerant to extreme temperature ranges
Suitable for corrosive or wet industrial environments
Particularly low attenuation in the area of the infrared light
Risk of breakage due to excessive or repeated bending

Plastic Fiber-Optic Cables

Transmission of visible light
Less tolerant to extreme temperature ranges
Not suitable for corrosive or wet industrial environments
Particularly low attenuation in the visible light area
Repeat bends possible due to high flexibility

Parallel Fibers

With this type of reflection, the fibers run parallel to each other to transmit light signals. This fiber arrangement is available as both plastic and glass fiber-optics and is used in most standard applications.


 

Coaxial Fibers

The coaxial reflection type is a high-precision measurement method consisting of a core (emitter) and a surrounding area (receiver). With this type, the direction of entry of the test object into the measuring range is irrelevant for the position of the fiber-optic sensor.

 

Mixed Fibers

The mixed reflection type refers to a fiber-optic structure in which many transmitting and receiving fibers are arranged without separation. The position and distance of the fiber-optic cable to the object are less relevant here. The image area is very small or not present.

Effect of Fiber Diameter/Bundle Diameter

The larger the diameter of the light-conducting core, the more light can be transported through the cable. This leads to greater ranges and improved detection of deep black objects. For certain fiber-optic heads, such as fiber-optic cable bands, more fibers and consequently a larger diameter are therefore required.

What Does the Bending Radius Say?

The bending radius determines how much a cable can be bent without damaging it or affecting the signal quality. If a fiber-optic cable is bent excessively, there is a risk that the fiber jacket in the cable breaks and light escapes from the fiber core. This can lead not only to increased damping, but also to microcracks in the fiber core, resulting in permanent damage. Therefore, it is important to observe the bending radius, especially for glass fiber-optic cables.

What Is the Structure of Fiber-Optic Cables?

Plastic Fiber-Optic Cables

Glass Fiber-Optic Cables

What Types of Jackets Are there for Glass Fiber-Optic Cables?

Plastic, PVC

The most cost-effective variant. Suitable for standard applications that do not require special resistance to environmental influences.

Stainless Steel

Provides the highest level of protection against mechanical stress. Less flexible installation as larger bending radii are required. No protection against gasses or liquids.

Silicone

Maximum resistance to aggressive media. Absolutely tight, so fluids and gasses cannot penetrate the jacket and damage the optical fibers. FDA compliant.

What Are the Operational Principles of Fiber-Optic Sensors?

Reflex Mode

In the case of reflex mode, the emitter and the receiver are enclosed in a single housing. The light emitted by the emitter hits the test object and is returned to the receiver. The object is detected based on the amount of reflected light reaching the receiver of the fiber-optic cable.

Through-Beam Mode

The through-beam model consists of an opposing emitter and receiver. As soon as the test object passes through the space between the emitter and receiver, the light of the fiber-optic cable is interrupted. Detection is then performed by reducing the received light intensity.

Retro-Reflex Sensor

With the retro-reflex sensor principle, the emitter and receiver are located in a housing, while on the opposite side a reflector is positioned. The test object is detected when the light reflected back by the reflector is either completely interrupted or reduced. 

Fiber-Optic Cable Bands

Fiber-optic cable bands are used to monitor areas. In contrast to spot-shaped light spots, which only monitor the presence of objects within one point, fiber-optic cable bands detect several centimeters. The sensor detects the object as soon as the signal is weakened or completely interrupted.

Comparison of Dynamic Readjustment and Jump Detection

Both dynamic readjustment and jump detection are suitable for reliable detection of objects under changing environmental conditions. In dynamic readjustment, a quasi-fixed threshold value is used, whereas jump detection does not require a threshold value and only evaluates signal changes instead.

Fixed Switching Point

The most common mode of operation of a sensor is based on a fixed switching point. The sensor determines the threshold value or the switching point during the teach-in process in accordance with a specified teach-in logic. In normal teach, this corresponds to 50% of the current signal, for example. If the ambient conditions and the objects to be detected are very constant, the mode of operation with a fixed switching point offers the highest insensitivity to interference, as external influences cannot change the switching point: If the signal is above the defined threshold, the output is activated; if it is below, the output remains inactive. However, if the signal is altered due to contamination, for example, this can lead to permanent malfunctions.

Dynamic Readjustment

The dynamic readjustment is particularly suitable for the reflex mode with static backgrounds as well as for the through-beam mode. The non-switched state should prevail, as the threshold value is only readjusted in this state. If there is contamination on the fiber-optic head or on the background, this is compensated by dynamic adjustment of the threshold value.

Jump Detection

The absolute signal values are irrelevant for jump detection. Instead, the direction of the signal change (negative, positive or both directions), the magnitude of the change and the observation period can be included in the evaluation. This enables the detection of highly variable objects (e.g. in color or surface finish) on non-static backgrounds (such as a slowly soiling conveyor belt) as well as the detection of objects without prior teaching (e.g. with changing batches).

Overview of Fiber-Optic Heads

Angled

Angled sensor heads are ideal for tight spaces where the optical axis and cable outlet must be oriented differently. Thanks to the thread, the sensor heads can be easily screwed into prepared holes or fastened to an angle or plate with two nuts.

L Type

The L type allows easy mounting with two screws and offers predefined positions of the optical axes. Exact alignment is not necessary due to the large aperture angle of the fiber-optic cables.
 

Flat

Flat sensor heads can be easily integrated into the base of the workpiece carrier. The flexibility of the cable outlet on the sensor head allows easy cable routing to the left, right or rear.

Flexible

The thin, long metal sensor lance can be adapted to the specific requirements of the respective application by simple bending.

Fiber-Optic Cable Bands

Fiber-optic cable bands in through-beam mode are ideal for monitoring large areas. Reflex fiber-optic cable bands, on the other hand, are particularly effective for detecting heterogeneous objects and can also be used for measuring applications through the evaluation of the reflected light.

Miniature

Miniature sensor heads are particularly suitable for applications in the tightest of spaces.

Thread

Threaded sensor heads allow for quick and easy installation. They can either be screwed directly into pre-drilled holes or fixed to brackets or plates using two nuts.

Smooth

Smooth sensor heads are ideal for use in confined spaces and can be inserted or glued into prefabricated mounting brackets.

The Following Must Be Observed when Installing Fiber-Optic Sensors

To ensure reliable object detection and accurate measurement data, the following instructions should be observed when installing the sensor.

Length and Cutting

Fiber-optic cables are available in various lengths. Plastic fiber-optic cables can be cut to size by the customer, glass fiber-optic cables only industrially, as they must be ground and polished after cutting. The length has little effect on the detection range, but longer fiber-optic cables let less light through.


Tip: Select a suitable glass fiber-optic cable.

Detection Range

Tastweite von Lichtleitern

Lichtleiter haben aufgrund des großen Öffnungswinkels nur geringe Tastweiten. Höhere Tastweiten können durch größere Faserbündel-/ Kerndurchmesser oder durch Linsen erreicht werden, die das Licht fokussieren.


Tipp: Lichtleiter vorwiegend für kurze Reichweiten und die Erkennung von Kleinstteilen verwenden.

Biegeradius

Biegeradius von Lichtleitkabeln

Lichtleiter sind flexibel, aber minimale Biegeradien müssen eingehalten werden, um Schäden und Lichtverluste zu vermeiden. High-Flex Kunststofflichtleitkabel eignen sich für enge Biegeradien oder bewegte Montagen. Generell gilt: Kleinere Durchmesser erlauben geringere Biegeradien.

Tipp: Montage von High-Flex Lichtleitkabeln.

Temperatur

Lichtleitkabel für verschiedene Temperaturen

Kunststoff- und Glasfaserlichtleiter unterscheiden sich in ihrer Temperaturbeständigkeit. Bei über 85 °C sollten Glasfaserlichtleiter mit Edelstahl- oder Silikonmantel verwendet werden. 

Tipp: Dank individueller Längen kann die Auswerteeinheit auch im Schaltschrank platziert werden.

Ausrichtung Taster

Ausrichtung der Lichtleiter im Tastprinzip

Beim Tastprinzip sollten Sender und Empfänger bei seitlicher Annäherung im 90°-Winkel zum Prüfobjekt installiert werden, um ein gleichmäßiges Ein- und Ausschaltverhalten zu gewährleisten.

Tipp: Eine planare Ausrichtung zum Objekt führt zu einem Offset mit verzögertem Ein- und Ausschalten.

Kabel mit dediziertem Sender

Lichtleitkabel mit dediziertem Sender

Bei Lichtleiterköpfen mit koaxialem Lichtaustritt und bei bestimmten Lichtleitbändern sollte die korrekte Zuordnung von Sender am Lichtleiterkopf zu Sender am Verstärker unbedingt beachtet werden.

Tipp: Die Verstärker sind hierzu mit Pfeilen gekennzeichnet.

Branchen und Industrien, in denen faseroptische Sensoren eingesetzt werden

Bei der Herstellung von Metallprofilen müssen die Anwesenheit und die Maße der Objekte erfasst werden, bevor eine Spannvorrichtung sie fixiert. Die Profile können schwarz, weiß, chromfarben, glänzend oder matt sein. In beengten Platzverhältnissen werden dazu Glasfaserlichtleitvorhänge eingesetzt, die nach dem Sender-Empfänger-Prinzip arbeiten, zusammen mit einem Universalreflextaster. Die Lichtfasern sind in einer Linie angeordnet, wodurch ein Lichtband entsteht. Die Breite wird gemessen, das lineare Signal proportional zur Glasfaserabdeckung ausgegeben und so die korrekte Position ermittelt.

Welche Objekte können faseroptische Sensoren nicht optimal erkennen?

  • Wasser und andere klare Flüssigkeiten, die das Licht stark absorbieren oder durch Brechung seinen Weg verändern, können zu ungenauen Messungen führen.
  • Hochtransparente Objekte wie klares Glas, die das Licht vollständig durchlassen, ohne es zu reflektieren, erschweren die Detektion.
  • Tiefschwarze Objekte, die das einfallende Licht stark absorbieren und kaum oder gar nicht reflektieren, behindern die Signalrückführung zum Sensor.
  • Stark glänzende Objekte, die das Licht in unvorhersehbare Richtungen reflektieren, verhindern eine präzise Objekterkennung.
     
 

 
Kontakt
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