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Os sensores de fibra óptica funcionam bem em espaços confinados e em aplicações com alto grau de ruído elétrico, mas é preciso ter cuidado ao especificar esses componentes críticos.
A detecção da presença de peças em máquinas, dispositivos de fixação e esteiras transportadoras é um componente importante da automação industrial. A montagem à prova de erros e o controle da sequência com base na presença ou ausência de uma peça são frequentemente necessários. Em muitos casos, não se pode simplesmente presumir que a peça está onde deveria estar ou que o compartimento está vazio como esperado, sendo necessário o uso de um sensor de presença para verificação.
Existem muitos tipos de sensores disponíveis, incluindo indutivos, magnéticos, capacitivos e fotoelétricos. Cada um possui suas próprias vantagens e desvantagens, dependendo da aplicação. Os sensores fotoelétricos, no entanto, oferecem a maior variedade de tipos e tecnologias, além da mais ampla gama de aplicações.
Os sensores fotoelétricos estão disponíveis em diversos tipos de emissão de luz (infravermelho, vermelho visível, laser Classe 1 e 2), tecnologias de detecção (difusa, supressão de fundo, reflexiva, feixe passante) e configurações de invólucro (fotocélula ou fibra óptica). Este artigo se concentra na especificação e aplicação de sensores de fibra óptica, que oferecem recursos avançados e opções de configuração, sendo ideais para espaços reduzidos, muito pequenos para um sensor fotocélula.
Tecnologia de fibra óptica
Os sensores de fibra óptica, também chamados de sensores fotoelétricos de fibra, incluem dois dispositivos que normalmente são especificados separadamente: o amplificador, frequentemente chamado de amplificador eletrônico ou amplificador fotoelétrico de fibra; e o cabo de fibra óptica, que inclui a cabeça do sensor óptico e o cabo de fibra que transmite a luz para e do amplificador.
A teoria básica por trás de todos os sensores fotoelétricos é bastante simples. Cada sensor fotoelétrico possui um emissor de luz que produz o sinal de origem e um receptor que capta esse sinal. Existem diversas tecnologias para detectar e medir a luz transmitida ao receptor. Por exemplo, sensores de supressão de fundo medem o ângulo de reflexão da luz, enquanto sensores fotoelétricos convencionais medem a quantidade de luz, chamada de ganho excedente, que retorna ao sensor. Outros sensores monitoram o tempo que a luz leva para retornar, fornecendo assim a medição da distância.
Existe uma variedade de amplificadores de fibra óptica disponíveis, com opções de configuração que variam de simples a avançadas.
Os fotocélulas abrigam o emissor e o receptor em uma única cabeça de sensor óptico, como as usadas em unidades difusas e reflexivas, ou em duas cabeças de sensor óptico, como as usadas em unidades de feixe passante. Os sensores de fibra óptica, por sua vez, concentram todos os componentes eletrônicos em um único invólucro, com as cabeças ópticas do emissor e do receptor separadas e conectadas ao invólucro eletrônico por meio de um cabo de fibra óptica. A luz emitida e recebida viaja por esses cabos de fibra, de forma semelhante aos dados de alta velocidade em redes de fibra óptica.
Uma das vantagens dessa segregação é que apenas a cabeça do sensor precisa ser montada na máquina. O cabo de fibra óptica integrado é encaminhado e conectado ao amplificador, que pode ser montado em um local seguro (normalmente uma caixa de controle), protegendo-o do ambiente de fabricação, muitas vezes hostil.
A variedade de opções disponíveis tanto para amplificadores quanto para cabos de fibra óptica é vasta. Os amplificadores variam de básicos a avançados, e os fabricantes de máquinas continuam a exigir mais funções, incluindo recursos de lógica e comunicação.
Amplificadores de sensores de fibra óptica
Os amplificadores de fibra óptica variam desde aqueles com eletrônica básica e funcionalidade plug-and-play até modelos com eletrônica totalmente configurável (Fig. 1). Alguns possuem até mesmo unidades eletrônicas que podem lidar com até 15 entradas de fibra em uma configuração tipo manifold. A indicação de saída é altamente desejável em eletrônica de fibra óptica, pois mostra se o sensor está funcionando corretamente, mas outras funções básicas (Tabela 1) devem ser especificadas. O formato de saída e a conexão com os amplificadores são importantes porque definem a interface com o controlador, e o ajuste dos pontos de ativação e desativação é parte integrante da configuração do amplificador.
Normalmente aberto ou normalmente fechado, além de comutação via sinking, sourcing ou push-pull. Isso permite que o dispositivo receba ou forneça o sinal automaticamente, dependendo de como o circuito está conectado. As opções de conexão elétrica geralmente vêm pré-cabeadas com pelo menos dois metros de cabo ou com um conector de desconexão rápida com um conector multipino padrão M8 ou M12. As configurações da chave são programadas girando um potenciômetro ou digitalmente por meio de botões.
Além das funções básicas, os recursos avançados do amplificador oferecem flexibilidade significativa com funcionalidades como saídas de pulso, atrasos de ativação/desativação e a capacidade de eliminar sinais intermitentes. Esses componentes eletrônicos avançados permitem que os fabricantes de máquinas detalhem e ajustem os parâmetros do amplificador conforme a necessidade da aplicação.
Atrasos de ativação/desativação são frequentemente desejáveis para retardar a reação do sistema de controle às mudanças nos parâmetros detectados. No caso de sinais intermitentes, algumas aplicações apresentam ao sensor sinais espúrios de curta duração que não são consistentes com as condições gerais de operação. A capacidade de eliminar esses sinais no sensor libera o controlador dessa tarefa.
Quase todos os modelos possuem LEDs indicadores de status de saída, enquanto alguns oferecem displays graduados para fornecer uma visão geral da intensidade do sinal e do status da saída. Unidades mais avançadas possuem displays OLED multilinhas com diagnósticos e programação personalizados.
A filtragem é uma opção frequentemente necessária com taxas de amostragem mais altas, pois proporciona uma medição mais robusta e menos suscetível às condições ambientais. No entanto, esse sinal mais forte exige que a unidade opere em frequências de comutação mais lentas. As saídas de pulso permitem o alongamento do sinal de entrada, o que pode ser útil quando a frequência de operação é muito alta para a entrada de um CLP. Os atrasos de ativação/desativação permitem que os fabricantes de máquinas adicionem temporizadores para o início e o fim do sinal de saída.
Unidades avançadas oferecem mais opções de programação, como ajustes de sensibilidade. Usando essas opções, os fabricantes de máquinas podem ensinar a máquina a detectar a ausência da peça, a presença da peça ou ambas — mesmo com materiais difíceis como vidro. Essa função de aprendizado reduz ou elimina a necessidade de programar o controlador para executar essas funções. Eles também podem programar a saída para ligar/desligar em dois pontos de comutação. Por exemplo: para o posicionamento da peça, um interruptor pode ligar em uma posição e desligar em outra, como em um sinal de nível de enchimento para uma aplicação de bomba.
Vendo a luz com o cabo de fibra óptica.
Os cabos de fibra óptica não conduzem eletricidade; em vez disso, transmitem luz. Eles vêm em diversas configurações com diferentes tipos de materiais e formatos de cabeçote óptico (Fig. 2). A Tabela 2 lista algumas das decisões a serem tomadas ao especificar cabos de fibra óptica.
Existem inúmeras opções de cabos e cabeçotes de fibra óptica; a escolha adequada depende muito dos requisitos da aplicação.
Os cabos de fibra óptica difusos possuem dois condutores para inserção no amplificador, um para a luz emissora e outro para a luz receptora, sendo os dois condutores unidos próximos à cabeça óptica única. Os cabos de fibra óptica de feixe passante são compostos por dois cabos separados e idênticos, conectados ao amplificador, cada um com sua própria cabeça óptica. Um cabo transmite a luz emitida e o outro transmite a luz recebida. Um erro comum é encomendar apenas um cabo de feixe passante, pois alguns fornecedores podem fornecer apenas uma unidade por código de produto, enquanto outros incluem os dois cabos necessários na embalagem.
Os materiais de fibra são geralmente de plástico ou vidro. As unidades de plástico são mais finas, menos caras e permitem um raio de curvatura menor, enquanto as unidades de vidro tendem a ser mais robustas e suportam temperaturas de operação mais elevadas. As fibras de plástico podem ser cortadas no comprimento desejado com um cortador especial descartável; as fibras de vidro não podem ser cortadas após serem recebidas do fornecedor. O material do revestimento da fibra também pode variar, desde um plástico extrudado básico até tranças de aço inoxidável, para operar de forma confiável nos ambientes mais severos.
A seleção da cabeça óptica é a parte mais crucial da especificação de sensores de fibra óptica, pois afeta significativamente a detecção de pequenas partes estacionárias ou móveis encontradas na maioria das aplicações. A seleção da cabeça difere na forma como as ópticas do emissor e do receptor são orientadas em ângulo e dispersão em relação ao objeto a ser detectado. As cabeças podem ter feixes de fibra arredondados para projetar um feixe circular ou se espalhar para formar uma projeção horizontal, semelhante a uma fita.
Em um cabeçote difuso, os feixes circulares podem ser estritamente bifurcados, com todas as fibras emissoras em uma metade e todas as fibras receptoras na outra. Isso é comum, mas pode causar atraso na leitura de uma peça que se move perpendicularmente à linha de bifurcação. Outra opção é ter as fibras emissoras e receptoras dispersas uniformemente no cabeçote para produzir um feixe mais homogêneo. A mistura homogênea de fibras proporciona exposição igual à luz emitida e recebida, e permite a detecção independente da direção de deslocamento da peça.
O alcance de detecção em fibras ópticas é influenciado pelo amplificador, pelo comprimento do cabo de fibra e pelo tipo de cabeçote óptico. Portanto, geralmente é difícil determinar um alcance operacional exato, mas os fornecedores normalmente fornecem uma estimativa. De modo geral, a emissão direta (through beam) tem um alcance maior do que a emissão difusa (difusa). Quanto mais longo o cabo de fibra, menor o alcance, e amplificadores avançados geralmente emitem sinais mais fortes e, consequentemente, têm alcances maiores.
Conectando sensores de fibra óptica
O uso de E/S distribuídas e dispositivos inteligentes distribuídos tem aumentado em toda a automação de máquinas, e os sensores de fibra óptica não são exceção. Conectar vários cabos de sensores de fibra óptica a um único coletor de eletrônicos tem suas vantagens.
Os amplificadores de fibra óptica são normalmente unidades independentes de canal único. Com gabinetes compactos e montagem padrão em trilho DIN, podem ser facilmente instalados e empilhados em um painel. Uma desvantagem pode estar relacionada ao roteamento das conexões elétricas para cada amplificador individual.
Outra opção é usar um manifold de fibra óptica, que agrupa vários canais de fibra em um ponto central de controle e alimentação elétrica (Fig. 3). Esses manifolds de fibra óptica normalmente utilizam um display OLED com menus para permitir a programação de cada canal de fibra. Cada canal de fibra pode ser configurado separadamente, como por exemplo, ativando ou desativando a luz e alternando a histerese. Esse controle central também permite o agrupamento de saídas por meio de lógica AND/OR básica, o que pode reduzir e simplificar o sinal de saída para o CLP.
Os manifolds de fibra óptica com eletrônica de expansão simplificam e reduzem o número de fios até o controlador da máquina, convertendo sinais de sensores em dados digitais e combinando sinais logicamente, se necessário. A imagem mostra o novo manifold de fibra óptica OPT2042 de três canais da AutomationDirect, expansível para 15 canais. Ele aceita diversos tipos de fibra óptica de plástico e vidro e transmite e recebe dados via IO-Link, permitindo diagnósticos completos de 15 canais em um único conector de 4 pinos. Também pode ser conectado com dois conectores M12 de 8 pinos para cabeamento direto de cada canal, se necessário — por exemplo, em aplicações onde o controlador não suporta IO-Link.
Aplicações e Problemas
As fibras ópticas funcionam bem e são comumente usadas em aplicações onde há geração significativa de ruído elétrico por fontes como soldagem automatizada, inversores de frequência e motores. Os cabos de fibra óptica são imunes a ruídos elétricos, e os componentes eletrônicos podem ser montados longe da fonte de ruído, em um invólucro blindado.
Outra aplicação muito comum é a montagem de peças pequenas. Essas operações tendem a ser totalmente automatizadas e, portanto, exigem múltiplos sensores para confirmar o posicionamento (encaixe) da peça e a verificação da montagem para confirmar a conclusão da operação. Normalmente, as peças se movem rapidamente para dentro e para fora de uma plataforma sobre transportadores ou uma mesa indexadora. Como a tolerância de deslocamento é mínima, a medição precisa da posição torna-se essencial.
Uma solução de fibra óptica oferece diversas opções em termos de tamanho da cabeça, orientação e dispersão da luz, permitindo o foco de luz mais preciso e compacto para cada aplicação, independentemente do tamanho da caixa elétrica. Com lógica integrada, um canal de um sensor de dois canais pode confirmar se uma peça está no lugar para acionar uma ação de montagem, enquanto o outro canal confirma se a montagem foi concluída.
Um problema comum em instalações de fibra óptica diz respeito à flexão excessiva das fibras. Como os cabos de fibra são feixes de fibras individuais, eles geralmente são bastante maleáveis, permitindo que um instalador dobre facilmente as fibras além do raio de curvatura máximo recomendado. Isso pode causar deformação plástica irreversível das fibras, o que reduzirá a transmissão de luz ou, no pior dos casos, a interromperá completamente. O raio de curvatura máximo, indicado para todas as fibras, varia dependendo do material da fibra, do tamanho do feixe e da dispersão das fibras no feixe — e deve ser respeitado em todos os casos.
Independentemente da aplicação, os fabricantes de máquinas devem selecionar a tecnologia de sensores adequada. Se forem utilizados sensores de fibra óptica, os amplificadores e as cabeças de fibra óptica devem ser cuidadosamente selecionados para a aplicação, a fim de proporcionar um desempenho de detecção robusto.
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