Những ứng dụng của Cảm biến màu; tương phản & huỳnh quang

[tran_hieu0983]

Taihttp://plcvietnam.com.vn/forum/showthread.php?t=779
đã trình bày nguyên lý của cảm biến quang điện và các chú ý khi lắp đặt sao cho chúng (cảm biến) có thể nhận ra đối tượng trong trường nhận diện hữu hạn FOV.

Trong phần này xin được phép trình bày về những kỹ thuật dùng màu, độ tương phản và huỳnh quang trong những ứng dụng khác nhau:

Hình 1. Một cảm biến tương phản

Cảm biến tương phản:

Cảm biến tương phản (hình 1) phát hiện sự khác nhau trong độ tương phản khi đối tượng /dấu hiện hữu hoặc trống (hình 2) trong khoảng 25 mm.

Hình 2: Nguồn sáng trắng làm tăng độ linh hoạt cho phép phân tích bất kỳ màu nào trên màu nền bất kỳ.

Nhiều cảm biến tương phản sử dụng nguồn sáng LED đỏ hoặc xanh lá cây (đôi khi là cả hai). Do các cảm biến màu khác nhau hấp thụ lượng sáng khác nhau, do đó người ta có thể lựa chọn bước sóng khác nhau của nguồn sáng để tạo ra độ tương phản cao nhất ở mỗi ứng dụng cụ thể. Tuy vậy, tiếp cận này không linh hoạt, đòi hỏi màu nền và màu dấu cụ thể. Cảm biến có nguồn sáng đỏ và xanh cho độ linh hoạt tốt hơn nhiều nhưng đòi hỏi một lựa chọn màu cố định (hoặc xanh, hoặc đỏ) trong lúc hoạt động. Chức năng này thường được áp dụng khi tiến hành “huấn luyện” cảm biến khi lắp đặt.

Cảm biến tương phản có độ linh hoạt cao nhất là những cảm biến có nguồn sáng trắng phổ rộng. Những cảm biến này cho độ khác biệt trên mọi màu và tổ hợp (màu) nền và thời gian chuyển đổi nhanh trong quá trình sản xuất bằng cách điều chỉnh mức thiên áp tới giá trị được gán từ trước.

Những cảm biến màu đặc biệt cho phép tạo các điểm màu có kích thước lớn và cảm nhận màu sắc ở khoảng cách lên tới 300 mm. Ví dụ, một cảm biến loại này phát nguồn sáng xanh da trời ở bước sóng 457 nm từ cặp cáp quang đồng trục để đảm bảo độ ổn định về tín hiệu ở khoảng cách lớn ứng dụng trong việc phân loại các hộp từ nơi dỡ hàng trên băng tải.

Cảm biến màu:

cảm biến màu phân tách ánh sáng phản xạ từ một đối tượng thành các thành phần đỏ, xanh lá cây và xanh da trời. Mỗi thành phần được đánh giá và xác định xem có thuộc phạm vi cảm nhận được thiết lập trước đó cho mỗi màu riêng biệt. Tiếp cận này rất hiệu quả khi giám sát các màu có độ đồng đều trong những ứng dụng như dệt may, công nghiệp nhựa và các quá trình cho màu đồng đều khác.

Một kênh nhạy màu cho phép ta thiết lập những đặc tuyến của vật thể cần phát hiện với một lối ra riêng biệt, với những giá trị được lưu ở bộ nhớ trong của cảm biến. Thời gian đáp ứng cho những cảm biến này khoảng 300 µs và kích thước điểm sáng có thể lên tới 25 mm, hình 3.

Hình 3: Một cảm biến màu hai kênh

Cảm biến màu lấy tích phân trên toàn diện tích của điểm sáng. Vì thế, nếu một khoảng sáng có hai màu, cảm biến sẽ "xem xét" độ tổ hợp của các màu hơn hơn là phân tích từng màu riêng biệt. Đây là một cân nhắc rất quan trọng trong các ứng dụng nơi mà điểm cần phân tích có họa tiết hoặc ở dạng mảng màu như các hạt gỗ hoặc nhiều màu sắc như trong nỉ làm ghế xe ôtô. Trong những ứng dụng như vậy, cảm biến cho nguồn sáng với điểm sáng lớn lớn với khả năng cho phép lấy tín hiệu trên một diện tích lớn sẽ phù hợp hơn.

Giao diện người sử dụng (GUI) với tính năng đặc biệt hoặc toàn bộ tính năng có thể (hình 4) cho phép hiển thị thời gian thực, truy cập thiết lập độ nhạy cho từng màu, và điều khiển cảm biến nói chung. Những ứng dụng như phân loại sản phẩm thường dựa trên vài màu cơ bản, có thể được thực hiện với những cảm biến màu đơn giản. Những ứng dụng phức tạp hơn cần phần điều khiển thông minh hơn cho những cảm biến với đầy đủ tính năng.

Hình 4: Chương trình ứng dụng cho phép điều khiển thiết lập cảm biến từ đơn giản tới phức tạp trên từng kênh

[tran_hieu0983]

Cảm biến dấu màu:

Cảm biến dấu màu được thiết kế để phát hiện dấu màu ở tốc độ cao. Chúng không thật sự xác định một màu đặc biệt nào đó. Thay vào đó, chúng phát hiện sự thay đổi màu trên nền (màu) và xuất một tín hiệu lối ra để chỉ thị sự có mặt của dấu (hình 5). Cảm biến dấu màu cho các điểm sáng tròn có kích thước cỡ 0.5 mm và các điểm sáng hình chữ nhật có kích thước 2 mm x 5 mm. Để định hướng tốt với dấu màu, cần cố định cảm biến sử dụng điểm màu hình chữ nhật; điều này làm cho việc phát hiện dấu màu lớn bị hạn chế. Cảm biến với điểm sáng tròn phù hợp để phát hiện dấu màu có bề rộng lớn hơn 0.5 mm.

Hình 5. Ví dụ về cảm biến dấu màu. Điểm sáng nhỏ có độ đáp ứng nhanh, cho phép phát hiện dấu màu có kích thước 0.5 mm ở tốc độ 600 m/phút.

Mấu chốt để ứng dụng cảm biến dấu màu một cách thành công là phân tích kỹ những yêu cầu đặc biệt của mỗi ứng dụng. Để có kết quả tốt nhât, hãy lựa chọn cảm biến với điểm sáng không lớn hơn dấu màu nhỏ nhất cần phát hiện.

Tốc độ của dấu màu là một yếu tố căn bản trong lựa chọn cảm biến dấu màu. Rất nhiều quá trình như in, và đảo đòi hỏi phát hiện chính xác ở tốc độ cao. Ví dụ, dấu màu độ rộng 1 mm di chuyển với tốc độ 610 m/phút, tương đương 1 mm trong 98 µs. Ánh sáng, khi bị điều chế, sẽ cho thẻ ở trạng thái TẮT/MỞ khi dấu màu nằm trong trường nhận diện hữu hạn. Vì thế, độ đáp ứng của cảm biến phải đủ nhanh để thực hiện phép đo trước khi dấu màu nằm ngoài trường nhận diện hữu hạn. Nói chung, cần lựa chọn cảm biến có độ đáp ứng nhanh gấp 4 lần thời gian cần thiết để dấu màu di chuyển một quãng đường bằng chiều rộng của nó sẽ thỏa mãn được yêu cầu vừa nêu. Trong thí dụ này (chiều rộng dấu màu là 0.5 mm), thời gian đáp ứng tối thiểu là 25 µs.

Cảm biến huỳnh quang:

cảm biến huỳnh quang đáp ứng với các vật liệu như sơn, mỡ, mực và chất keo dính. Những vật liệu này thường chứa chất đánh dấu huỳng quang, phát ra những ánh sáng trong vùng khả kiến khi bị nguồn cực tím kích thích. Những cảm biến này rất hữu dụng trong những ứng dụng có mặt của vật liệu cần xác định một các chính xác, hình 6.

Hình 6: Cảm biến huỳnh quang ứng dụng trong sản xuất dược phẩm

Kỹ thuật áp dụng dấu huỳnh quang thường được sử dụng trong các ứng dụng có sự biến đổi đáng kể của màu nền và sự biến đổi này cần được bỏ qua như ký tự và hình ảnh in trên nhãn hàng. Một dấu huỳnh quang có thể được in bằng loại mực tàng hình lên bất kỳ vị trí nào của nhãn mà không làm ảnh hưởng tới tính thẩm mỹ của nhãn và vẫn cho phép cảm biến phát hiện được dấu quang (sự có mặt, định hướng và vị trí của nhãn).

Nhiều vật liệu trong sản xuất và đóng gói sử dụng chất đánh dấu lân quang để xác định lại sự có mặt của dấu quang. Các vật liệu có thể gồm chất keo dính, gôm, màng mỏng, lực và mỡ bôi trơn. Vì nhiều trong số vật liệu này trong suốt hoặc gần như trong suốt nên sử dụng các loại cảm biến khác không thích hợp.

Màu nền hoặc chất huỳnh quang nền là một cân nhắc quan trọng trong những ứng dụng cảm biến huỳnh quang. Chúng tôi khuyến nghị nên kiểm tra nền để chắc chắn rằng chất huỳnh quang không tồn tại trong nền, vì điều này có thể ảnh hưởng tới tính ổn định khi phát hiện dấu quang trong khi đo đạc. Những vật liệu này có thể là giấy, chất làm tăng quang có tính huỳnh quang mạnh. Rất khó để tạo ra dấu huỳnh quang lớn hơn cường độ nền trên một tờ giấy chất lượng cao. Trong những trường hợp đó, mực huỳnh quang trong dải màu Vàng/Xanh lá cây là phù hợp cho phép phân biệt giữa dấu quang và trang giấy. Nói cách khác, các vật liệu như gỗ, đã có sẵn tính năng phát quang tự nhiên cần một cường độ lớn hơn ở cùng điều kiện chiếu sáng để đảm độ tin cậy của phép đo.

Những cân nhắc khi lựa chọn cảm biến

Thông thường, lựa chọn cảm biến đúng cách có liên quan tới việc xem xét những tính năng của vật cần phát hiện và xác định trường nhận diện hữu hạn. Người đọc cần hiểu rõ những tiêu chí sau đây trước khi lựa chọn cho mình một loại cảm biến phù hợp.

1. Bạn cần phát hiện tính chất nào của vật thể

Theo bảng này, chắc rằng chúng ta sẽ có những lựa chọn phù hợp nhất, tránh sử dụng cảm biến không đúng cách, gây lãng phí cả về tiền bạc và thời gian.

Một vài loại cảm biến tiêu biểu và những vật liệu tương ứng

2. Chỉ có 1 điều kiện hay có nhiều điều kiện cấu thành vật cần phát hiện?

Trừ cảm biến màu, mọi cảm biến khác phát hiện một điều kiện nào đó là nguyên nhân dẫn tới tín hiệu phản xạ lớn hoặc nhỏ hơn giá trị thiên áp. Khi có nhiều hơn một điều kiện cấu thành, cần vài cảm biến tương phản hoặc một cảm biến màu để tiến hành phép tích phân khi đo đạc.

3. Bề mặt nhẵn bóng hay mờ xỉn?

Đối với bề mặt bóng có độ phản xạ cao, thường chúng ta phải gắn cảm biến vào gá và tạo thành một góc nhọn so với bề mặt vật thể, thường là 15°. Nếu như độ bóng là một đặc tính cần phát hiện, khi đó cần phải gắn cảm biến vuông góc so với bề mặt đó. Bề mặt mờ khuếch tán ánh sáng theo nhiều cách bất đồng nhất, làm tăng khả năng phát hiện của cảm biến.

4. Kích thước đối tượng là bao nhiêu?

Dấu hoặc vật thể cần phải lớn hơn kích thước điểm sáng để đảm bảo tính ổn định khi hoạt động. Kích thước của đối tượng và tốc độ cần được cân nhắc kỹ nhưng ở quy trình với tốc độ nhỏ. Phép kiểm tra đòi hỏi đối tượng cần được chiếu sáng đủ lâu để cảm biến có thể nhận ra chúng.

5. Đối tượng dịch chuyển nhanh thế nào là vừa đủ?

Kiểm tra tin cậy là một hàm của độ đáp ứng của cảm biến, tốc độ lấy mẫu, kích thước đối tượng, và tốc độ dịch chuyển của đối tượng qua điểm sáng của cảm biến. Một cách dễ hiểu, đối tượng cần hiện hữu trong điểm sáng (do cảm biến phát ra) đủ lâu so với độ đáp ứng. Cảm biến có độ đáp ứng nhanh hơn 100 µs thường phù hợp phần lớn các đối tượng.

6. Khoảng cách lớn/nhỏ nhất từ bộ gá cảm biến tới đối tượng?

Một số cảm biến có thể hoạt độ ở khoảng cách>100 mm, phần lớn cảm biến khác không thể. Khoảng cách càng xa càng đòi hỏi cảm biến phải có độ nhậy cao. Một vài cảm biến màu, cảm biến tương phản, cảm biến huỳnh quang cho điểm sáng có kích thước lớn vì vậy chúng có thể hoạt động tốt ở những khoảng cách xa hơn so với đối tượng. Nói chung, nên chọn cảm biến có khả năng đánh giá ổn định và đặt chúng ở khoảng cách tối ưu hơn là cố định nó trên một khoảng cách cần thiết và xem nó có hoạt động tốt hay không.

7. Khoảng cách cảm biến – đối tượng nên cố định hay nên thay đổi?

Biến thiên khoảng cách cảm biến – đối tượng, thường được hiểu như hiện tượng “phách động”, là một yếu tố thành công của phép kiểm tra. Vì mọi cảm biến quang điện đều đo sự sai khác về ánh sáng do cảm biến quang thu thập, vì thế thay đổi về khoảng cách sẽ gây ra thay đổi về lượng ánh sáng tới trên các thấu kính góp. Dù ít dù nhiều điều này cũng sẽ làm ảnh hưởng độ tin cậy của phép đo vốn phụ thuộc vào mức có mặt hoặc vắng mặt của đối tượng: sự khác nhau càng lớn, biến thiên khoảng cách càng lớn.

Nhận xét chung

Trong thực tế, những ứng dụng rất đa dạng và thay đổi từ việc sản xuất sản phẩm này sang một sản phẩm khác, áp dụng những điều chúng ta vừa thảo luận trên đây sẽ giúp phần nào trong việc lựa chọn cảm biến những cảm biến quang điện vốn được ứng dụng rộng rãi, đảm bảo các giải pháp tin cậy ngay cả với những thách thức đến từ các quy trình tự động hóa phức tạp.

Nguồn: http://automation.net.vn/The-gioi-ca...ao-Phan-2.html