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Les capteurs à fibre optique fonctionnent bien dans les espaces restreints et dans les applications présentant un degré élevé de bruit électrique, mais il convient d'être prudent lors du choix de ces composants critiques.
La détection de la présence de pièces dans les machines, les dispositifs de fixation et les convoyeurs est un élément essentiel de l'automatisation industrielle. Il est souvent nécessaire de sécuriser l'assemblage et de contrôler la séquence en fonction de la présence ou de l'absence d'une pièce. Dans de nombreux cas, on ne peut pas simplement supposer que la pièce est à sa place ou que le logement est vide comme prévu ; un capteur de présence est donc indispensable pour vérification.
Il existe de nombreux types de capteurs, notamment inductifs, magnétiques, capacitifs et photoélectriques. Chacun présente des avantages et des inconvénients qui varient selon l'application. Les capteurs photoélectriques offrent cependant la plus grande diversité de types et de technologies, ainsi que le plus large éventail d'applications.
Les capteurs photoélectriques se déclinent en différents types d'émission lumineuse (infrarouge, rouge visible, laser de classe 1 et 2), technologies de détection (diffuse, suppression du bruit de fond, réflexion, faisceau traversant) et configurations de boîtier (cellule photoélectrique ou fibre optique). Cet article se concentre sur la spécification et l'application des capteurs à fibre optique, qui offrent des fonctionnalités avancées et de nombreuses options de configuration, et sont particulièrement adaptés aux espaces restreints trop petits pour un capteur à cellule photoélectrique.
Technologie de la fibre optique
Les capteurs à fibre optique, parfois appelés capteurs photoélectriques à fibre, comprennent deux dispositifs généralement spécifiés séparément : l’amplificateur, souvent appelé électronique ou amplificateur photoélectrique à fibre ; et le câble à fibre optique, qui comprend la tête de capteur optique et le câble à fibre qui transmet la lumière vers et depuis l’amplificateur.
Le principe de base des capteurs photoélectriques est assez simple. Chaque cellule photoélectrique possède un émetteur de lumière produisant le signal source et un récepteur qui détecte ce signal. Il existe différentes technologies pour détecter et mesurer la lumière transmise au récepteur. Par exemple, les capteurs à suppression d'arrière-plan analysent l'angle de réflexion de la lumière, tandis que les cellules photoélectriques classiques mesurent la quantité de lumière renvoyée au capteur, appelée gain excédentaire. D'autres capteurs mesurent le temps de retour de la lumière, permettant ainsi la mesure de la distance.
Une variété d'amplificateurs à fibre optique sont disponibles, avec des options de configuration allant du simple au plus avancé.
Les cellules photoélectriques intègrent l'émetteur et le récepteur dans une seule tête de capteur optique, comme celle utilisée dans les capteurs diffus et réflectifs, ou dans deux têtes de capteur optique, comme celles utilisées dans les capteurs à faisceau traversant. Les capteurs à fibre optique regroupent toute l'électronique dans un seul boîtier, les têtes optiques de l'émetteur et du récepteur étant séparées du boîtier électronique et reliées à celui-ci par un câble à fibre optique. La lumière émise et reçue circule dans ces câbles à fibre optique, à l'instar des données à haut débit dans les réseaux à fibre optique.
Cette séparation présente l'avantage de ne nécessiter que le montage de la tête de capteur sur la machine. Le câble à fibre optique intégré est acheminé et connecté à l'amplificateur, lequel peut être installé dans un endroit sûr (généralement une armoire électrique), le protégeant ainsi des conditions souvent difficiles de l'environnement de production.
L'éventail d'options disponibles pour les amplificateurs et les câbles à fibres optiques est très vaste. Les amplificateurs vont des modèles de base aux modèles sophistiqués, et les constructeurs de machines exigent toujours plus de fonctionnalités, notamment des capacités logiques et de communication.
Amplificateurs de capteurs à fibre optique
Les amplificateurs à fibre optique se déclinent de modèles basiques, prêts à l'emploi, à des modèles entièrement configurables (Fig. 1). Certains intègrent même des unités électroniques capables de gérer jusqu'à 15 entrées fibre optique en configuration multiple. L'affichage des sorties est essentiel pour les amplificateurs à fibre optique, car il permet de vérifier le bon fonctionnement du capteur. Cependant, les autres fonctions de base (Tableau 1) doivent être spécifiées. Le format de sortie et la connexion aux amplificateurs sont importants car ils définissent l'interface avec le contrôleur. La configuration des seuils de fonctionnement (marche/arrêt) fait partie intégrante de la configuration de l'amplificateur.
Ce dispositif offre deux options de commutation : normalement ouvert ou normalement fermé, avec possibilité d’absorption, de production ou de type push-pull. Il peut ainsi absorber ou produire automatiquement le signal, selon le câblage du circuit. Les connexions électriques sont généralement précâblées avec un câble d’au moins deux mètres, ou un connecteur rapide multipoints M8 ou M12 standard. La programmation des commutateurs s’effectue par potentiomètre ou par boutons-poussoirs.
Au-delà des fonctionnalités de base, les amplificateurs avancés offrent une grande flexibilité grâce à des options telles que les sorties d'impulsions, les temporisations marche/arrêt et la possibilité d'éliminer les signaux intermittents. Cette électronique de pointe permet aux constructeurs de machines d'affiner et d'ajuster les paramètres de l'amplificateur en fonction des besoins de l'application.
Des temporisations à l'activation/désactivation sont souvent souhaitables pour ralentir la réaction du système de contrôle aux variations des paramètres mesurés. En présence de signaux intermittents, certaines applications peuvent envoyer au capteur des signaux parasites de courte durée, non conformes aux conditions de fonctionnement générales. La possibilité d'éliminer ces signaux au niveau du capteur décharge le contrôleur de cette tâche.
La plupart des modèles sont équipés de LED d'état de sortie, tandis que certains proposent des affichages gradués pour une indication sommaire de la puissance du signal et de l'état de la sortie. Les modèles plus avancés disposent d'écrans OLED multilignes avec fonctions de diagnostic et de programmation personnalisées.
Le filtrage est souvent nécessaire avec des fréquences d'échantillonnage élevées, car il permet une mesure plus robuste et moins sensible aux conditions ambiantes. Ce signal plus fort exige cependant que l'appareil fonctionne à des fréquences de commutation plus lentes. Les sorties impulsionnelles permettent d'étirer le signal d'entrée, ce qui peut s'avérer utile lorsque la fréquence de fonctionnement est trop élevée pour une entrée d'automate programmable. Les temporisateurs à l'activation/désactivation permettent aux constructeurs de machines d'ajouter des temporisateurs au démarrage et à la fin du signal de sortie.
Les unités avancées offrent davantage d'options de programmation, comme le réglage de la sensibilité. Grâce à ces options, les constructeurs de machines peuvent configurer la machine pour qu'elle détecte l'absence ou la présence d'une pièce, voire les deux, même avec des matériaux difficiles comme le verre. Cette fonction de programmation réduit, voire élimine, la nécessité de programmer le contrôleur pour exécuter ces fonctions. Ils peuvent également programmer la sortie pour qu'elle s'active ou se désactive à partir de deux points de commutation. Par exemple, pour le positionnement d'une pièce, un interrupteur peut s'activer à une position et se désactiver à une autre, comme dans le cas d'un signal de niveau de remplissage pour une application de pompage.
Voir la lumière grâce à la fibre optique
Les câbles à fibres optiques ne conduisent pas l'électricité ; ils transmettent la lumière. Ils existent en différentes configurations, avec divers matériaux et types de connecteurs optiques (Fig. 2). Le tableau 2 présente quelques critères de choix pour la spécification d'un câble à fibres optiques.
Les options sont nombreuses en matière de câbles et de têtes à fibres optiques ; le choix approprié dépend fortement des exigences de l'application.
Les câbles à fibres optiques diffusées possèdent deux conducteurs à insérer dans l'amplificateur pour la lumière émise et la lumière reçue. Ces deux conducteurs sont reliés près de la tête optique unique. Les câbles à fibres optiques à faisceau traversant sont composés de deux câbles identiques et distincts, connectés à l'amplificateur et dotés chacun de leur propre tête optique. L'un transmet la lumière émise, l'autre la lumière reçue. Une erreur fréquente consiste à ne commander qu'un seul câble à faisceau traversant, car certains fournisseurs peuvent n'en proposer qu'un seul par référence, tandis que d'autres proposent les deux câbles nécessaires.
Les fibres utilisées sont généralement en plastique ou en verre. Les fibres en plastique sont plus fines, moins chères et offrent un rayon de courbure plus court, tandis que celles en verre sont plus robustes et supportent des températures de fonctionnement plus élevées. Les fibres en plastique peuvent être coupées à la longueur souhaitée à l'aide d'un outil de coupe spécifique ; les fibres en verre, quant à elles, ne peuvent pas être coupées une fois reçues du fournisseur. Le matériau de la gaine des fibres peut varier, allant d'un simple plastique extrudé à un tressage en acier inoxydable pour une fiabilité optimale même dans les environnements les plus exigeants.
Le choix de la tête optique est crucial pour la spécification des capteurs à fibre optique, car il influe considérablement sur la détection des petites pièces fixes ou mobiles présentes dans la plupart des applications. Ce choix dépend de l'orientation angulaire et de la dispersion des optiques d'émission et de réception par rapport à l'objet à détecter. Les têtes peuvent être constituées de faisceaux de fibres arrondis pour projeter un faisceau circulaire, ou bien de fibres déployées pour former une projection horizontale en forme de ruban.
Dans une tête de détection à faisceau diffus, les faisceaux ronds peuvent être strictement bifurqués, avec toutes les fibres émettrices d'un côté et toutes les fibres réceptrices de l'autre. Cette configuration est courante, mais peut engendrer un délai de lecture pour une pièce se déplaçant perpendiculairement à la ligne de bifurcation. Une autre option consiste à répartir uniformément les fibres émettrices et réceptrices dans la tête afin de produire un faisceau plus homogène. Ce mélange homogène de fibres assure une exposition égale à la lumière émise et reçue, et permet une détection indépendante du sens de déplacement de la pièce.
La portée de détection des fibres optiques dépend de l'amplificateur, de la longueur du câble et du type de tête optique. Il est donc généralement difficile de déterminer une portée exacte, mais les fournisseurs fournissent généralement une estimation. De manière générale, la portée est plus importante pour les faisceaux directs que pour les faisceaux diffus. Plus le câble est long, plus la portée est courte, et les amplificateurs performants offrent généralement des signaux plus puissants et une portée plus importante.
Connexion des capteurs à fibre optique
L'utilisation d'E/S distribuées et de dispositifs intelligents distribués est en constante augmentation dans l'automatisation des machines, et les capteurs à fibre optique ne font pas exception. Le raccordement de plusieurs câbles de capteurs à fibre optique à un seul collecteur électronique présente des avantages.
Les amplificateurs à fibre optique sont généralement des unités autonomes monocanal. Grâce à leur boîtier compact et leur montage sur rail DIN standard, ils peuvent être facilement intégrés et empilés dans un panneau. Un inconvénient peut résider dans le cheminement des connexions électriques de chaque amplificateur.
Une autre option consiste à utiliser un collecteur de fibres optiques, qui regroupe plusieurs canaux de fibres vers un point de commande et de raccordement électrique central (Fig. 3). Ces collecteurs de fibres optiques sont généralement équipés d'un écran OLED avec menus permettant la programmation de chaque canal. Chaque canal peut être configuré individuellement, par exemple pour activer ou désactiver la lumière et régler l'hystérésis de commutation. Cette commande centrale permet également de grouper les sorties via une logique ET/OU simple, ce qui simplifie le signal de sortie vers l'automate programmable.
Les collecteurs de fibres optiques avec électronique d'extension simplifient et réduisent le nombre de câbles vers le contrôleur machine en convertissant les signaux des capteurs en données numériques et en les combinant logiquement si nécessaire. Le nouveau collecteur de fibres optiques OPT2042 à trois canaux d'AutomationDirect, extensible à 15 canaux, est présenté ici. Il accepte différents types de fibres optiques en plastique et en verre et transmet et reçoit des données via IO-Link, permettant ainsi un diagnostic complet sur 15 canaux à l'aide d'un seul connecteur à 4 broches. Il peut également être câblé avec deux connecteurs M12 à 8 broches pour un raccordement direct de chaque canal si besoin, par exemple dans les applications où le contrôleur ne prend pas en charge IO-Link.
Applications et problèmes
La fibre optique est performante et couramment utilisée dans les applications générant d'importantes perturbations électriques, notamment par le biais du soudage automatisé, des variateurs de fréquence et des moteurs. Le câblage en fibre optique est insensible à ces perturbations, et les composants électroniques peuvent être installés à l'abri de ces dernières, dans un boîtier blindé.
Une autre application très courante est l'assemblage de petites pièces. Ces opérations sont généralement entièrement automatisées et nécessitent donc plusieurs capteurs pour confirmer le positionnement correct des pièces et vérifier l'assemblage afin de confirmer la fin de l'opération. Les pièces se déplacent généralement rapidement sur des supports ou une table d'indexage. La tolérance de déplacement étant minimale, une mesure précise de la position devient essentielle.
Une solution à fibre optique offre diverses options de taille de tête, d'orientation et de dispersion de la lumière, permettant une focalisation lumineuse optimale pour chaque application, indépendamment de la taille du boîtier électrique. Grâce à une logique embarquée, un canal d'un capteur à deux canaux peut confirmer la présence d'une pièce pour déclencher une opération d'assemblage, tandis que l'autre canal confirme la fin de l'assemblage.
Un problème courant lors des installations de fibre optique concerne la flexion excessive des fibres. Les câbles de fibre étant composés de faisceaux de fibres individuelles, ils sont généralement assez souples, ce qui permet à l'installateur de les courber facilement au-delà de leur rayon de courbure maximal recommandé. Ceci peut entraîner une déformation plastique irréversible des fibres, réduisant ainsi la transmission de la lumière, voire l'interrompant complètement. Le rayon de courbure maximal, indiqué pour chaque fibre, varie selon le matériau, la taille du faisceau et la dispersion des fibres au sein de celui-ci ; il doit impérativement être respecté.
Quelle que soit l'application, les constructeurs de machines doivent choisir la technologie de capteurs appropriée. Si des capteurs à fibre optique sont utilisés, les amplificateurs et les têtes de fibre optique doivent être soigneusement sélectionnés pour garantir des performances de détection optimales.
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