광전 센서란 무엇인가?

광전 센서는 다양한 광학적 특성을 통해 물체, 표면 상태의 변화, 그리고 기타 물체를 감지합니다.
광전 센서는 주로 빛을 방출하는 발광부와 빛을 수신하는 수광부로 구성됩니다. 방출된 빛이 감지 물체에 의해 차단되거나 반사되면 수광부에 도달하는 빛의 양이 변합니다. 수광부는 이러한 변화를 감지하여 전기적 출력으로 변환합니다. 대부분의 광전 센서의 광원은 적외선 또는 가시광선(일반적으로 색상을 식별하기 위해 적색 또는 녹색/청색)입니다.
광전 센서는 아래 그림과 같이 분류됩니다. (분류 참조)

관통형 빔 센서

역반사 센서

확산 반사 센서

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특징

1. 긴 감지 거리

예를 들어, 투과형 빔 센서는 10m 이상 떨어진 물체를 감지할 수 있습니다. 이는 자기식, 초음파 또는 기타 감지 방식으로는 불가능합니다.

2. 감지 객체 제한이 거의 없음

이러한 센서는 물체가 빛을 차단하거나 반사하는 원리를 기반으로 작동하므로 근접 센서처럼 금속 물체 감지에만 국한되지 않습니다. 즉, 유리, 플라스틱, 목재, 액체 등 거의 모든 물체를 감지하는 데 사용할 수 있습니다.

3. 빠른 응답 시간

빛은 고속으로 이동하기 때문에 응답 시간이 매우 빠르고, 모든 회로가 전자 부품으로 구성되어 있어 센서가 기계적 작업을 수행하지 않습니다.

4. 고해상도

이 센서의 놀라운 고해상도는 초소형 스팟 빔과 빛을 수신하는 고유한 광학 시스템을 구현하는 첨단 설계 기술에서 비롯됩니다. 이러한 기술 개발을 통해 초소형 물체 감지는 물론 정밀한 위치 감지도 가능합니다.

5. 비접촉 감지

물리적 접촉 없이 물체를 감지할 수 있으므로 감지 물체나 센서가 손상될 가능성이 거의 없습니다.
따라서 센서의 수명이 수년간 보장됩니다.

6. 색상 식별

물체가 빛을 반사하거나 흡수하는 속도는 방출되는 빛의 파장과 물체의 색상에 따라 달라집니다. 이 특성을 이용하여 색상을 감지할 수 있습니다.

7. 쉬운 조정

가시광선을 방출하는 모델의 경우 빔이 보이기 때문에 물체에 빔을 배치하는 것이 간단합니다.

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운영 원칙

(1) 빛의 특성

직선 전파

빛은 공기나 물을 통과할 때 항상 직선으로 나아갑니다. 작은 물체를 감지하는 데 사용되는 투과형 센서(Through-beam Sensor)의 바깥쪽에 있는 슬릿은 이 원리가 실제 응용 분야에 어떻게 적용되는지 보여주는 예입니다.

굴절

굴절은 굴절률이 다른 두 매질 사이의 경계면을 빛이 비스듬히 통과할 때 휘어지는 현상입니다.

반사
(정반사, 재귀반사, 확산반사)

유리나 거울과 같은 평평한 표면은 빛의 입사각과 같은 각도로 빛을 반사합니다. 이러한 반사를 정반사라고 합니다. 코너 큐브는 이 원리를 이용하여 세 개의 평평한 표면을 서로 수직으로 배치합니다. 코너 큐브를 향해 방출된 빛은 반복적으로 정반사를 하고, 반사된 빛은 결국 방출된 빛을 향해 다시 똑바로 이동합니다. 이를 재귀반사라고 합니다.
대부분의 재귀반사기는 수 제곱밀리미터 크기의 코너 큐브로 구성되어 정밀하게 배열됩니다.
흰색 종이와 같은 무광 표면은 빛을 모든 방향으로 반사합니다. 이러한 빛의 산란을 확산 반사라고 합니다.
이 원리는 확산 반사 센서에서 사용하는 감지 방식입니다.

빛의 편광

빛은 수평 및 수직으로 진동하는 파동으로 표현할 수 있습니다. 광전 센서는 거의 항상 LED를 광원으로 사용합니다. LED에서 방출되는 빛은 수직 및 수평 방향으로 진동하며 비편광된 빛이라고 합니다. 비편광된 빛의 진동을 한 방향으로만 제한하는 광학 필터가 있습니다. 이를 편광 필터라고 합니다. 편광 필터를 통과하는 LED의 빛은 한 방향으로만 진동하며 편광된 빛(또는 더 정확하게는 선형 편광된 빛)이라고 합니다. 한 방향(예: 수직 방향)으로 진동하는 편광된 빛은 진동을 수직 방향(예: 수평 방향)으로 제한하는 편광 필터를 통과할 수 없습니다. 역반사 센서의 MSR 기능과 투과형 센서의 상호 간섭 보호 필터 액세서리는 이 원리로 작동합니다.

(2) 광원

광 생성
펄스 변조 광

대부분의 광전 센서는 기본적으로 일정한 간격으로 반복적으로 빛을 방출하는 펄스 변조 광을 사용합니다.
이 시스템을 사용하면 외부 광 간섭의 영향을 쉽게 제거할 수 있으므로 멀리 있는 물체도 감지할 수 있습니다. 상호 간섭 보호 기능이 있는 모델의 경우, 간섭광과 외부 광 간섭을 처리하기 위해 방출 주기를 특정 범위 내에서 가변적으로 조절합니다.

비변조광

비변조광은 마크 센서와 같은 특정 유형의 센서에 사용되는 특정 강도의 연속적인 광선을 말합니다. 이러한 센서는 응답 시간이 빠르지만, 감지 거리가 짧고 외부 빛 간섭에 취약하다는 단점이 있습니다.

광원 색상 및 유형

(3) 삼각측량

거리 설정형 센서는 일반적으로 삼각 측량 원리로 작동합니다. 이 원리는 다음 그림에 설명되어 있습니다.
방출기에서 나온 빛은 감지 대상에 닿으면 확산된 빛을 반사합니다. 수광 렌즈는 반사된 빛을 위치 검출기(빛이 닿는 위치에 따라 신호를 출력하는 반도체)에 집중시킵니다. 감지 대상이 광학계 근처 A 지점에 위치하면 빛은 위치 검출기의 a 지점에 집중됩니다. 감지 대상이 광학계에서 멀리 떨어진 B 지점에 위치하면 빛은 위치 검출기의 b 지점에 집중됩니다.

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분류

(1) 감지방식에 따른 분류

1. 관통빔 센서
감지 방법

송신기와 수신기는 서로 마주보도록 설치되어 송신기에서 나오는 빛이 수신기로 들어갈 수 있도록 합니다. 송신기와 수신기 사이를 지나가는 감지 물체가 방출되는 빛을 차단하면 수신기로 들어오는 빛의 양이 감소합니다. 이러한 빛의 세기 감소는 물체 감지에 사용됩니다.

감지 방법은 관통형 센서와 동일하며 슬롯 센서라고 하는 일부 모델은 통합형 송신기와 수신기로 구성됩니다.

특징

안정적인 동작과 수 센티미터에서 수십 미터에 달하는 긴 감지 거리를 제공합니다.

감지 위치는 감지 객체 경로의 변화에 영향을 받지 않습니다.

감지 대상의 광택, 색상 또는 기울기에 따라 작동에 큰 영향을 받지 않습니다.

2. 확산 반사형 센서

감지 방법

송신기와 수신기는 동일한 하우징에 설치되며, 일반적으로 빛은 수신기로 반사되지 않습니다. 송신기에서 나온 빛이 감지 대상에 닿으면 대상은 빛을 반사하여 수신기로 들어오고, 수신기에서 빛의 세기가 증가합니다. 이러한 빛의 세기 증가는 물체 감지에 사용됩니다.

특징

감지 거리는 수 센티미터에서 수 미터에 이릅니다.

간편한 장착 조정.

반사광의 강도, 동작 안정성, 감지 거리는 감지 대상 표면의 조건(예: 색상 및 매끄러움)에 따라 달라집니다.

3. 반사형 센서

감지 방법

송신기와 수신기는 동일한 하우징에 설치되며, 송신기에서 나온 빛은 일반적으로 반대편에 설치된 반사경에 의해 수신기로 반사됩니다. 감지 물체가 빛을 차단하면 수신되는 빛의 양이 감소합니다. 이러한 빛의 세기 감소는 물체 감지에 사용됩니다.

특징

감지 거리는 수 센티미터에서 수 미터까지 다양합니다.

간단한 배선 및 광축 조정(노동력 절감).

감지 대상의 색상이나 각도에 따라 동작에 큰 영향을 받지 않습니다.

빛은 감지 대상을 두 번 통과하므로 이러한 센서는 투명한 대상을 감지하는 데 적합합니다.

거울 표면의 감지 물체는 반짝이는 표면에서 수신기로 반사되는 빛의 양 때문에 감지 물체가 없는 것처럼 보이기 때문에 감지되지 않을 수 있습니다. 이 문제는 MSR 기능을 사용하여 해결할 수 있습니다.

반사형 센서는 가까운 거리에서 사각지대가 발생합니다.

4. 거리 설정 가능한 센서

감지 방법

센서의 수신기는 2부분으로 구성된 포토다이오드 또는 위치 검출기입니다. 감지 대상에서 반사된 빛은 수신기에 집중됩니다. 감지는 삼각 측량 원리에 기반하며, 이는 빔이 집중되는 위치가 감지 대상까지의 거리에 따라 달라진다는 것을 나타냅니다.
다음 그림은 2부분으로 구성된 포토다이오드를 사용하는 감지 시스템을 보여줍니다. 케이스에 가장 가까운 포토다이오드 끝을 N(근거리) 끝이라고 하고, 다른 끝을 F(원거리) 끝이라고 합니다. 감지 대상이 미리 설정된 위치에 도달하면 반사된 빛은 N 끝과 F 끝의 중간에 집중되고 양쪽 끝의 포토다이오드는 동일한 양의 빛을 받습니다. 감지 대상이 센서에 가까우면 반사된 빛은 N 끝에 집중됩니다. 반대로, 감지 대상이 미리 설정된 거리보다 멀리 있으면 반사된 빛은 F 끝에 집중됩니다. 센서는 N 끝과 F 끝의 광도 차이를 계산하여 감지 대상의 위치를 결정합니다.

특징

감지 대상의 표면 상태나 색상에 따라 동작에 큰 영향을 받지 않습니다.

작업은 배경에 크게 영향을 받지 않습니다.

BGS(배경 억제) 및 FGS(전경 억제)

E3Z-LS61, E3Z-LS66, E3Z-LS81 또는 E3Z-LS86을 사용할 때 BGS 또는 FGS 기능을 선택하여 컨베이어 벨트 위의 물체를 감지합니다.
BGS 기능은 설정된 거리를 벗어난 배경 물체(즉, 컨베이어)가 감지되지 않도록 합니다.
FGS 기능은 설정된 거리보다 가까운 물체 또는 수신기에 지정된 양보다 적은 빛을 반사하는 물체가 감지되지 않도록 합니다.
지정된 양보다 적은 빛을 반사하는 물체는 다음과 같습니다.
(1) 반사율이 극히 낮은 물체 및 검은색 종이보다 어두운 물체.
(2) 거의 모든 빛을 방출기로 되돌려 보내는 거울과 같은 물체.
(3) 많은 빛을 반사하지만 무작위 방향으로 빛을 분산시키는 고르지 않고 광택이 나는 표면.
물체의 움직임을 감지하여 반사광이 잠시 수신기로 돌아올 수 있습니다. 이 경우, 덜거덕거리는 것을 방지하기 위해 OFF 지연 타이머 또는 다른 수단을 사용해야 할 수 있습니다.

특징

높이의 미세한 차이(BGS 및 FGS)를 감지할 수 있습니다.

물체 색상을 감지하는 효과가 최소화됩니다(BGS 및 FGS).

배경 객체의 효과가 최소화됩니다(BGS).

감지 대상의 불규칙성은 작동(BGS 및 FGS)에 영향을 미칠 수 있습니다.

5. 제한 반사형 센서

감지 방법

확산 반사형 센서와 마찬가지로, 제한 반사형 센서는 감지 대상에서 반사되는 빛을 받아 감지합니다. 광학계가 빛의 방출 및 수신 영역을 제한하기 때문에 센서로부터 일정 거리(빛의 방출과 수신이 겹치는 영역)에 있는 물체만 감지할 수 있습니다. 오른쪽 그림에서 (A)의 감지 대상은 감지 가능하지만 (B)의 물체는 감지할 수 없습니다.

예

특징

작은 높이 차이를 발견할 수 있습니다.

센서와의 거리를 제한하여 특정 영역의 물체만 감지할 수 있습니다.

감지된 물체의 색상은 동작에 큰 영향을 미치지 않습니다.

감지 대상의 광택이나 기울기에 따라 동작이 크게 영향을 받습니다.

(2) 감지방식에 따른 선정지점

투과형 및 반사형 센서의 체크포인트

감지 대상

(1) 크기 및 모양(수직 x 수평 x 높이)
(2) 투명도(불투명, 반투명, 투명)
(3) 속도 V(m/s 또는 단위/분)

감지기

(1) 감지거리(L)
(2) 크기 및 형상의 제약
    a) 센서
    b) 반사체(반사형 센서의 경우)
(3) 나란히 장착의 필요성
    a) 유닛 수
    b) 장착 피치
    c) 엇갈려 장착의 필요성
(4) 장착 제약(각도 등)

환경

(1) 주변 온도
(2) 물, 기름 또는 화학물질의 튀는 존재 여부
(3) 기타

확산 반사형, 거리 설정형 및 제한 반사형 센서에 대한 체크포인트

감지 대상

(1) 크기 및 형태(수직 x 수평 x 높이)
(2) 색상
(3) 재질(강철, SUS, 목재, 종이 등)
(4) 표면 상태(질감 또는 광택)
(5) 속도 V(m/s 또는 단위/분)

감지기

(1) 감지거리(작업물까지의 거리)(L)
(2) 크기 및 형상의 제약
(3) 나란히 장착의 필요성
    a) 유닛 수
    b) 장착 피치
(4) 장착 제약(각도 등)

배경

배경
(1) 색상
(2) 재질(철, SUS, 목재, 종이 등)
(3) 표면상태(질감, 광택 등)

환경

(1) 주변 온도
(2) 물, 기름 또는 화학물질의 튀는 존재 여부
(3) 기타

(3) 구성에 따른 분류

광전 센서는 일반적으로 발광부, 수광부, 증폭기, 제어부, 전원 공급 장치로 구성됩니다. 구성 요소에 따라 아래와 같이 분류됩니다.

1. 별도의 증폭기가 있는 센서

투과형 센서는 별도의 이미터와 수광기를 가지고 있는 반면, 반사형 센서는 이미터와 수광기가 통합되어 있습니다. 증폭기와 컨트롤러는 하나의 증폭기 유닛에 내장되어 있습니다.

특징

통합형 이미터-수신기는 이미터, 수신기, 광학 시스템으로만 구성되어 있어 크기가 작습니다.

송신기와 수신기가 좁은 공간에 설치된 경우 감도를 원격으로 조정할 수 있습니다.

증폭기 유닛에서 송신기와 수신기로 연결되는 신호선은 노이즈에 취약합니다.

대표적인 모델(앰프 유닛): E3NC, E3C-LDA[]N, E3C

2. 내장형 앰프 센서

전원 공급 장치를 제외한 모든 것이 이 센서에 통합되어 있습니다. (투과형 센서는 발광부만으로 구성된 발광부와 수신기, 증폭기, 컨트롤러로 구성된 수신기로 구분됩니다.) 전원 공급 장치는 독립형 장치입니다.

특징

수신기, 증폭기, 컨트롤러가 통합되어 있어 약한 신호 배선이 필요 없습니다. 이로 인해 센서가 노이즈에 덜 민감해집니다.

별도의 증폭기가 있는 센서보다 배선이 덜 필요합니다.

이러한 센서는 일반적으로 별도의 증폭기가 있는 센서보다 크지만, 감도를 조절할 수 없는 센서도 마찬가지로 작습니다.

대표적인 모델: E3Z, E3T, E3S-C

3. 전원 공급 장치가 내장된 센서

전원 공급 장치, 송신기, 수신기는 모두 이 센서와 함께 동일한 하우징에 설치됩니다.

특징

센서를 상용 전원 공급 장치에 직접 연결하여 수신기에서 직접 대규모 제어 출력을 제공할 수 있습니다.

이러한 센서는 송신기와 수신기에 전원 공급 변압기와 같은 추가 구성 요소가 포함되어 있기 때문에 다른 구성의 센서보다 훨씬 큽니다.

대표적인 모델: E3G-M, E3JK, E3JM

4. 영역 센서

영역 센서는 여러 개의 빔을 가진 한 쌍의 이미터와 수광기로 구성된 투과형 빔 센서입니다. 용도에 맞게 센서의 감지 폭을 선택하세요.

특징

영역 센서는 넓은 영역을 감지할 수 있습니다.

이 센서는 소형 부품을 피킹하는 시스템에 이상적입니다.

대표적인 모델: F3W-E 및 F3W-D