text.skipToContent text.skipToNavigation

Fiber optik sensör teknolojisi

Fiber optik sensörler, ışığı bir test objesine yönlendirerek ve geri dönen ışığın yoğunluk değişikliğini değerlendirerek objeleri ve durumları algılar. Bunlar çok küçük nesneleri algılayabilir, son derece esnek bir şekilde monte edilebilir ve zorlu ortamlara son derece dayanıklıdır; yüksek sıcaklıklarda, nemde ya da ıslak ortamlarda bile. 

Fiber optik sensörler nedir?

Fiber optik sensörler, objeleri belirlemek için fiberglas ya da plastik fiber optik kablolar üzerinden iletilen ışığın fiziksel özelliklerini kullanır. Bunlar bir fiber optik amplifikatörün yanı sıra optik üniteli ya da optik ünitesiz fiber optiklerden oluşur. Fiber optik amplifikatör, ışık kaynağını ve alıcı elemanın yanı sıra sensörün işleme ünitesini içerir. Fiber optik kablolar yalnızca ışık göndermek ve almak için vardır. Işık dalgası iletkenleri elektronik bileşenler içermediğinden, fiber optik sensörler özellikle dar alanlardaki, zorlu ortamlardaki ya da başka sensörlerin kullanılamadığı yerlerdeki uygulamalara uygundur.

   

Fiberoptik sensörler nasıl çalışır?

Fiber optik sensörler prensip olarak dalga boyu ve yoğunluk gibi farklı ışık boyutlarını ölçerek bunlardan farklı ölçüm değerleri çıkarır. Endüstriyel otomasyonda sıkça enerji prensibi kullanılır. Bu sırada genellikle bir LED ışık kaynağı olan verici, ışığı bir fiber optik kabloya bağlar. Işık fiber optik kablonun ucundan dışarı çıkar ve ya ışığı geri yansıtan bir objeye çarpar (temas/yansıtma prensibi) ya da doğrudan bir alıcı tarafından algılanır (tek yönlü bariyer prensibi). Geri gönderilen ışık daha sonra bir fotodiyotun alınan ışık miktarını ölçtüğü değerlendirme ünitesine iletilir. Elektronik sistem bu ışık miktarını sürekli olarak, belirlenen bir eşik değerle karşılaştırır ve sensörün çıkışını buna uygun olarak kumanda eder.

Fiber optik sensörlerin avantajları nelerdir?

Esnek kurulum

Fiber optik sensörler son derece kompakttır ve dar endüstriyel ortamlara montaj için idealdir. Ayrıca fiber optiklerin yüksek esnekliği ve düşük sönümlemesi sayesinde daha büyük iletim mesafeleri de mümkündür.

Yüksek işletim güvenliği

Fiber optik sensörler olağanüstü dayanıklıdır ve yüksek sıcaklıklar, nem ve soğutma yağları ya da temizlik maddeleri gibi agresif ortamlar gibi zorlu ortam koşullarında bile güvenilir bir performans sunar. 

Elektromanyetik tolerans

Fiber optik kablolarda sinyal iletimi salt optik olarak gerçekleşir, böylece fiber optik sensörlerde EMU'yla bağlantılı zorluklar herhangi bir rol oynamaz. Ayrıca elektromanyetik parazitlere karşı son derece dayanıklıdırlar.

Fiber optik kablo ve küçük fotoelektrik karşılaştırması: Teknolojilere toplu bakış

Fiber optik amplifikatörler nedir?

Optik amplifikatör olarak da bilinen fiber optik amplifikatörler, optik iletişim sistemlerindeki sinyalleri güçlendiren ve fiber optik iletişimde merkezi bir rol oynayan bileşenlerdir. Burada aktarım menzilini arttırıyorlar.

Fiber optik amplifikatör sensörleri, endüstriyel otomasyon bağlamında basınç, sıcaklık, esneme ve objelerin varlığı ya da konumu gibi çeşitli fiziksel büyüklükleri ölçmek için cam ya da plastik fiber optik kablolar gibi ışık dalgası iletkenleri kullanan sensörlerdir. Bunlar ışık dalgası iletkenlerinin ışık iletme özelliğini kullanır ve bunu yaparken spektrumdaki ya da ışık miktarındaki değişiklikleri algılar.


Multi Unit ne anlama geliyor?

Multi Unit olarak da anılan bir sensör grubu, doğrudan kendi aralarında iletişim kurabilen birden fazla sensörden oluşur. Burada her bir sensör, çok yakın ya da karşılıklı konumdayken ve aynı objeyi denetliyor olsa bile birbirini etkilemez. Bu, sensörler arasında verimli bir koordinasyona ve işbirliğine olanak sağlar. Ayrıca sensör demeti sayesinde, IO-Link Master'a bağlantı için yalnızca bir kablo gerekli olduğu için kablolama külfeti minimuma iner. Bu sırada bağlı olan tüm sensörlerin sinyal seviyeleri ve anahtarlama kanalları IO-Link proses verileri, bir bağlantı kablosu ve IO-Link Master'daki bir port üzerinden aktarılır. Bu, veri aktarımını optimize eder ve kablolama ve kurulum külfetini önemli ölçüde azaltır.

Fiber optik sensörler birbirini karşılıklı olarak etkiler mi?

Dar monte edilmiş ya da aynı noktaya yöneltilmiş fiber optik kablolarda karşılıklı etkileşim meydana gelebilir. wenglor'un fiber optik sensörleri, bu etkileri azaltmak ya da baskılamak için çeşitli teknolojilerle donatılmıştır. P1XD0 ve P1XD1 serileri ışık hüzmeleri üzerinden senkronize olurken, P1XD2 serisinin sensörleri Multi Unit mod olarak dahili veri yolu üzerinden senkronize edilir, bu da karşılıklı etkileşimi ortadan kaldırır. Birden fazla sensör kafasının birbirine yakın monte edilmesinden ya da aynı test objesine yöneltilmesinden kaçınılması önerilir. Alternatif olarak P1XD2 serisinin sensörleri kullanılabilir.

Yöneltme modu nedir?

Güvenilir bir obje algılaması için fiber optik kabloların tam olarak hedefe yöneltilmesi gerekir. Özellikle bariyer prensibi kullanılırken verici ve alıcı mümkün olduğunca birbirine göre eksenel olarak konumlandırılmış olmalıdır. Amplifikatör ya da değerlendirme ünitesi sıkça kontrol kabinine ya da görüş alanının dışına kurulu olduğundan, düzenleme sıkça operatörlerin görüşüne ve değerlendirmesine göre yapılır. Yöneltme modu, gönderim ışığının atımıyla sinyal gücünü görselleştirir. Araçtaki park sensörlerinde olduğu gibi, sinyal ne kadar güçlü alınırsa impuls frekansı da o kadar artar. Sensör kafası, maksimum sinyalle optimum yöneltmeye ulaşana kadar açısı ve ekseni ayarlanır. Bu sayede, verici ve alıcı arasındaki uzak mesafeler de etkili ve hassas bir şekilde ayarlanabilir.
Amplifikatör ünitesi normalde, DIN rayları olarak da anılan standartlaştırılmış raylara monte edilir. Kurulum işlemi, amplifikatörler raya kolayca ve zaman tasarrufuyla takıldığından, alet kullanmadan gerçekleştirilir. Bir Multi Unit mod kullanıldığında bu sayede birden fazla fiber optik amplifikatör yer tasarrufu sağlayacak ve kaymaya karşı korumalı bir şekilde kumanda dolabına yan yana yerleştirilebilir.

Çeşitli ışık türlerinin avantajları neler?

Uygulamanın spesifik gereksinimlerine bağlı olarak wenglor'un fiber optik sensörleri kırmızı, mavi, pembe ya da kızılötesi ışık kullanır.

  • Kırmızı LED'ler (633 nm) çok parlak ya da beyaz test objelerinden bile yüksek proses istikrarı sunar.

  • Mavi LED'ler (455 nm) özellikle kızgın, parlak ya da karanlık yüzeylerde hassas ölçümlere uygundur, çünkü test objesine daha az nüfuz eder.

  • Pembe ışık modunda, ışık gücünü artırmak ve sensörlerin menzilini iyileştirmek için kırmızı ve mavi LED'ler aynı anda etkinleştirilir.

  • Kızılötesi ışık (750 nm'nin üzerinde) insan gözü tarafından görülemez, bu da görsel dikkat dağılmasını ve manipülasyonları engeller; robotik kavrayıcılar ya da otonom araçlardaki hareketli sensörler için idealdir. Ayrıca daha yüksek performansı sayesinde daha uzun bir algılama mesafesine olanak sağlar.

Fiber optik kablo nedir?

Fiber optik kablolar, her biri farklı bir kırılma endeksine sahip, bir ışık ileten çekirdekten ve bir mantodan oluşan, optik fiberlerdir. Burada ışık mantolamadaki toplam yansıma sayesinde neredeyse kayıpsız olarak çekirdek boyunca taşınır. Işık fiber optik kablodan çıkarken yaklaşık 60 derecelik bir açılma açısıyla saçılır.
 

Kırılma endeksi nedir?

Kırılma endeksi, ışık hüzmelerinin bir maddeden diğerine girdiğinde yönlerini ne kadar değiştirdiğini tarif eder. Bu, vakumdaki ışık hızı c'nin incelenen maddedeki ışık hızı v'ye oranıyla tanımlanır. Kırılma endeksi n boyutsuzdur ve sıcaklık ve ışığın dalga boyu gibi faktörlere bağlı olarak değişir.

Kırılma endeksini belirlemek için aşağıdaki fizik formülü kullanılır:
 
n = v/c

Açılma açısı nedir?

Açılma açısı, ışığın fiberoptikten çıktığı açıyı ifade eder. Büyük bir açılma açısının avantajı, yakın mesafedeki heterojen objelerin bile güvenilir şekilde algılanmasını sağlamasıdır. Ayrıca cihazın hizalanması belirleyici olmadığından kullanımı da karmaşık değildir. Ancak ışık gücü geniş bir alana hızla dağılır, bu da ışık odaklı kalmadığı için algılama mesafesini azaltır.

Bu geniş açılma açısını kontrol etmek için ışığı gerektiğinde odaklayan ya da kolime eden mercekler kullanılır. Bu sayede çok küçük objelerin algılanması mümkün olur ya da fiber optik kabloların algılama mesafesi önemli ölçüde arttırılır.

Fiberoptiklerin Karşılaştırması

Plastik fiber optik kablolar, düşük alan gerektiren uygulamalarda obje algılaması için idealdir. Buna karşı fiberglas fiber optik kablolar, yüksek sıcaklıkların olduğu zorlu ortam koşullarında etkinliğini kanıtlar ve kimyasal dayanıklılık sunar. Bu malzemelerin bu ve diğer avantajları sayesinde çok çeşitli gereksinimleri karşılayan, çok çeşitli uygulama olanakları ortaya çıkar.

Cam fiber optik kablolar

Görünür ışık ve kızılötesi ışık iletimi
Aşırı sıcaklık aralıklarına dayanıklı
Korozif ya da ıslak endüstriyel ortamlara uygun
Kızılötesi ışık bölgesinde son derece düşük sönümleme
Yoğun ya da tekrarlanan bükme nedeniyle kırılması mümkündür

Plastik fiber optik kablolar

Görünür ışık iletimi
Aşırı sıcaklık aralıklarına karşı daha dayanıksız
Korozif ya da ıslak endüstriyel ortamlara uygun değil
Görünür ışık alanında son derece düşük sönümleme
Yüksek esneklik sayesinde tekrarlanan bükmeler mümkün

Paralel fiberler

Bu yansıtma türünde, fiberler ışık sinyallerini iletmek için birbirine paralel ilerler. Bu fiber düzeni hem plastik hem de cam fiber optik kablo olarak temin edilir ve çoğu standart uygulamada kullanılır.


 

Koaksiyel fiberler

Koaksiyel yansıtma tipi, bir çekirdekten (verici) ve çevreleyen bir alandan (alıcı) oluşan, yüksek hassasiyetli bir ölçüm yöntemidir. Bu tipte, test objesinin ölçüm aralığına giriş yönü fiber optik sensörlerin konumu açısından önemli değildir.

 

Karma Fiberler

Karma yansıtma tipi, birçok verici ve alıcı fiberin ayrılmadan düzenlendiği bir fiberglas yapıyı ifade eder. Fiber optik kablonun objeye göre konumu ve mesafesi burada daha az önemlidir. Görüntü alanı çok küçüktür ya da yoktur.

Fiber çapı/demet çapı etkisi

Işık ileten çekirdeğin çapı ne kadar büyükse, kablodan o kadar fazla ışık iletilebilir. Bu, daha uzun algılama mesafeleri ve koyu siyah objelerin daha iyi algılanmasını sağlar. Bu nedenle örneğin ışık iletken bantları gibi belli fiber optik başlıkları için daha fazla fiber ve dolayısıyla daha büyük bir çap gerekir.

Bükülme yarıçapı ne ifade ediyor?

Bükülme yarıçapı, bir kablonun zarar görmeden ya da sinyal kalitesinden ödün vermeden ne kadar bükülebileceğini belirler. Bir fiber optik kablo aşırı bükülürse, kablodaki fiber mantonun kırılma ve fiber çekirdeğinden ışık sızma riski vardır. Bu yalnızca sönümlemeyi artırmakla kalmaz, aynı zamanda fiber çekirdekte mikro çatlaklara yol açabilir, bu da kalıcı hasara neden olabilir. Bu nedenle özellikle cam fiber optik kablolarda bükülme yarıçapını dikkate almak önemlidir.

Fiber optik kabloların yapısı nasıl?

Plastik Fiber Optik Kablolar

Cam Fiber Optik Kablolar

Cam fiber optik kablolarda hangi kaplama türleri mevcuttur?

Plastik PVC

En hesaplı seçenek. Çevresel etkilere karşı özel dayanıklılık gerektirmeyen standart uygulamalara uygundur.

Paslanmaz çelik

Mekanik yüklere karşı en yüksek korumayı sağlar. Daha büyük bükme yarıçapları gerektiğinden, döşeme sırasında daha az esnektir. Gazlara ya da sıvılara karşı korumasızdır.

Silikon

Agresif maddelere karşı maksimum dayanıklılık. Kesinlikle sızdırmazdır, dolayısıyla sıvıların ve gazların mantoya nüfuz etmez ve optik fiberlere zarar vermez. FDA'ya uygundur.

Fiber optik sensörlerin fonksiyonel prensipleri nelerdir?

Cisimden yansımalı prensibi

Cisimden yansımalı işletimde verici ve alıcı bir gövdeye yerleştirilmiştir. Burada verici tarafından gönderilen ışık test objesine çarpar ve alıcıya geri gönderilir. Objenin algılanması, fiber optik kablonun alıcısına ulaşan, yansıtılan ışık miktarına göre gerçekleşir.

Karşılıklı çalışma prensibi

Işık bariyeri modeli, karşılıklı duran bir verici ve bir alıcıdan oluşur. Test objesi verici ve alıcı arasındaki alandan geçer geçmez, fiber optik kablonun ışığı kesilir. Ardından algılama, alınan ışık yoğunluğunun azalmasıyla gerçekleşir.

Reflektörlü bariyer

Reflektörlü sensör prensibinde verici ve alıcı bir gövdede bulunur, karşı taraftaysa bir reflektör konumlandırılmıştır. Reflektörden geri yansıtılan ışık ya tamamen kesildiğinde ya da azaltıldığında test objesi algılanır.

Işık iletken bantlar

Işık iletken bantlar alanların denetlenmesine hizmet eder. Yalnızca bir noktanın içerisinde objenin varlığını denetleyen nokta şeklindeki ışık noktalarının aksine, ışık iletken bantlar birkaç santimetreyi algılar. Sinyal zayıfladığında ya da tamamen kesildiğinde sensör objeyi algılar.

Dinamik ek ayar ve atlama algılaması karşılaştırması

Hem dinamik ek ayar hem de atlama algılaması, değişen çevre koşullarında objelerin güvenilir şekilde algılanmasına uygundur. Dinamik ek ayarda neredeyse sabit bir eşik değeri kullanılırken, atlama algılaması eşik değeri olmadan gerçekleşir ve bunun yerine yalnızca sinyal değişiklikleri değerlendirilir.

Sabit anahtarlama noktası

Bir sensörün en yaygın çalışma modu, sabit bir anahtarlama noktasına dayanır. Burada sensör, önceden belirlenen Teach mantığı uyarınca, Teach-In süreci sırasında eşik değerini ya da anahtarlama noktasını belirler. Normal Teach'te bu, örneğin güncel sinyalin %50'sine karşılık gelir. Çevre koşullarının yanı sıra algılanacak objeler çok sabitse, dış etkenler anahtarlama noktasını değiştiremeyeceği için sabit anahtarlama noktasına sahip çalışma modu parazite karşı en yüksek duyarsızlığı sunar: Sinyal belirlenen eşik değerinin üzerindeyse, çıkış etkinleştirilir; altındaysa, çıkış devre dışı kalır. Ancak sinyal örneğin kirlilik nedeniyle değişirse, kalıcı hatalı anahtarlamalar meydana gelebilir.

Dinamik ek ayar

Dinamik ek ayar, özellikle statik arka planlı cisim yansıtma prensibinin yanı sıra bariyer prensibine uygundur. Burada eşik değerine yalnızca bu durumda ek ayar yapıldığından, kapalı durum ağırlıklı olmalıdır. Fiber optik başlıkta ya da arka planda kirlilikler meydana gelirse, bunlar eşik değerinin dinamik uyarlanmasıyla dengelenir.

Atlama Algılaması

Atlama algılamasında mutlak sinyal değerleri önemli değildir. Bunun yerine sinyal değişikliğinin yönü (negatif, pozitif ya da her iki yönde), değişikliğin yüksekliği ve inceleme süresi değerlendirmeye dahil edilebilir. Bu, statik olmayan arka planlarda (yavaş kirlenen bir konveyör bandı gibi) çok değişken objelerin (örneğin renk ya da yüzey kalitesi) algılanmasının yanı sıra önceden tanıtılmadan objelerin algılanmasını sağlar (örneğin değişen partiler).

Fiber optik başlıklara genel bakış

Açılı

Açılı sensör kafaları, optik eksenin ve kablo çıkışının farklı hizalanması gereken dar alanlar için idealdir. Sensör kafaları diş sayesinde önceden hazırlanmış deliklere kolayca vidalanabilir ya da bir köşebende ya da saca iki somunla sabitlenebilir.

L tipi

L tipi, iki vidayla kolay montaja olanak sağlar ve önceden tanımlanmış optik eksen pozisyonları sunar. Fiber optik kabloların büyük açılma açısı sayesinde kesin bir yöneltme gerekli değildir.
 

Yassı

Yassı sensör kafaları, parça taşıyıcısının tabanına kolayca entegre edilebilir. Sensör kafasındaki kablo çıkışının esnekliği, kablonun sola, sağa ya da arkaya doğru kolayca kablo döşenmesini sağlar.

Bükülebilir

İnce, uzun metalik sensör ucu, basitçe bükülerek ilgili uygulamanın özel gereksinimlerine kolayca uyarlanabilir.

Işık iletken bantlar

Tek yönlü bariyer prensibine uygun ışık iletken bantlar, geniş alanların denetimi için idealdir. Buna karşın cisimden yansımalı ışık iletken bantlar heterojen objelerin algılanmasında özellikle etkilidir ve geri yansıtılan ışığın değerlendirilmesi sayesinde ölçüm uygulamalarında da kullanılabilir.

Minyatür

Minyatür formatta sensör kafaları özellikle en dar alanlardaki uygulamalara uygundur.

Vida dişi

Dişli sensör kafaları, zaman kazandıran ve basit kuruluma olanak sağlar. Bunlar ya önceden açılan deliklere doğrudan vidalanabilir ya da iki somun yardımıyla köşebentlere ya da saclara sabitlenebilir.

Düz

Düz sensör kafaları, kısıtlı alanlarda kullanım için idealdir ve önceden hazırlanmış montaj askılarına takılabilir ya da yapıştırılabilir.

Fiber optik sensörlerin montajında buna dikkat edilmelidir

Güvenilir bir obje algılaması ve doğru ölçüm verilerini güvenceye almak için sensörün montajı sırasında aşağıdaki uyarılar dikkate alınmalıdır.

Uzunluk ve Kesme

Fiber optik kablolar çeşitli uzunluklarda temin edilir. Plastik fiber optik kablolar müşteri tarafından kesilebilir, cam fiber optik kablolar kesildikten sonra taşlanmaları ve parlatılmaları gerektiğinden, yalnızca endüstriyel olarak kesilebilir. Uzunluk algılama mesafesini pek etkilemez, ancak daha uzun fiber optikler daha az ışık geçirir.


Öneri: Fiberglastan fiber optik kabloları uygun şekilde seçin.

Algılama mesafesi

Fiber optik kabloların büyük açılma açısı nedeniyle algılama mesafeleri azdır. Daha yüksek algılama mesafeleri daha büyük fiber demeti/çekirdek çapları ya da ışığı odaklayan mercekler aracılığıyla elde edilebilir.


Öneri: Fiber optik kabloları özellikle kısa algılama mesafeleri ve en küçük parçaların algılanması için kullanın.

Bükülme yarıçapı

Fiber optik kablolar esnektir, ancak hasar ve ışık kayıplarını önlemek için minimum bükülme yarıçaplarına uyulmalıdır. High-Flex plastik fiber optik kablolar dar bükme yarıçaplarına ya da hareketli montajlara uygundur. Genel olarak şu geçerlidir: Daha küçük çaplar daha küçük bükme yarıçaplarına izin verir.

Öneri: High-Flex fiber optik kabloların montajı.

Sıcaklık

Plastik ve cam fiber optik kablolar sıcaklık direnci açısından farklılık gösterir. 85 °C üzerinde paslanmaz çelik ya da silikon mantolu cam fiber optik kablolar kullanılmalıdır.

Öneri: Bireysel uzunluklar sayesinde değerlendirme ünitesi kumanda dolabına da yerleştirilebilir.

Sensörün yöneltilmesi

Cisimden yansımalı prensibinde verici ve alıcı, eşit bir açılma ve kapanma davranışını güvenceye almak için yandan yaklaşıldığında test objesine 90° açıyla monte edilmelidir.

Öneri: Objeye düzlemsel hizalama, gecikmeli açılıp kapanan bir ofsete yol açar.

Özel vericili kablo

Koaksiyel ışık yayılımlı fiber optik başlıklarında ve belli ışık bantlarında fiber optik başlıktaki vericinin amplifikatördeki vericiye doğru yöneltilmesine mutlaka dikkat edilmelidir.

Öneri: Amplifikatörler bunun için oklarla işaretlenmiştir.

Fiber optik sensörlerin kullanıldığı sektörler ve endüstriler

Metal profiller üretilirken, bir gergi düzeneği onları sabitlenmeden önce objelerin mevcudiyeti ve boyutları belirlenmelidir. Profiller siyah, beyaz, krom renkli, parlak veya mat olabilir. Dar alan koşullarında bu işlem için verici alıcı – verici prensibine göre çalışan cam fiber optik ışık perdeleri, bir üniversal cisimden yansımalı sensör ile birlikte kullanılır. Işık fiberleri bir ışıklı bandı oluşturan bir çizgide düzenlenmiştir. Genişlik ölçülür, lineer sinyal cam fiber kaplamaya orantılı belirtilir ve böylece doğru konumu tespit edilir.

Elektronik endüstrisinde, güvenli bir taşımayı garanti etmek için taşıma modülleri üzerindeki kartların birden fazla istasyonda algılanması gerekir. Bu amaçla, dar yan duvarlara istasyon başına yana birer verici ve alıcı içeren (sensör prensibi) açılı bir fiber optik kablo takılır. Fiber optik kablolar taşıma alanı dışında multipleks yöntemle merkezi bir fiber optik amplikatöründe çalıştırılır. Böylece karşılıklı etkileşim engellenebilir ve her bir istasyonda devre kartlarının güvenli şekilde algılanması sağlanabilir.

Fiber optik sensörler hangi objeleri optimal olarak algılayamaz?

  • Su ve ışığı güçlü bir şekilde abzorbe eden ya da kırılmayla yolunu değiştiren diğer berrak sıvılar kesin olmayan ölçümlere neden olabilir.
  • Işığı yansıtmadan tamamen geçiren şeffaf cam gibi yüksek şeffaflıkta objeler algılamayı zorlaştırır.
  • Gelen ışığı güçlü bir şekilde abzorbe eden ve çok az yansıtan ya da hiç yansıtmayan koyu siyah objeler sensöre sinyal geri beslemesini engeller.
  • Işığı öngörülemeyen yönlerde yansıtan çok parlak objeler, hassas obje algılamasını engeller.
     
 

 
Ürün karşılaştırması