Why optical displacement sensors replace tactile sensors / Perché i sensori di spostamento ottico sostituiscono i sensori tattili
Why optical displacement sensors replace tactile sensors / Perché i sensori di spostamento ottico sostituiscono i sensori tattili
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
Displacement sensors are widely used in many industries to measure the distance between an object’s position and a reference location. In addition to measuring the range an object travels, displacement sensors can also be used to gauge an object’s dimensions, such as width, length and height. Two broad categories of displacement sensors exist: tactile sensors that gauge displacement by directly contacting the target, and non-contact sensors that perform measurements via electromagnetic waves or optical beams without touching the target. The proper selection of a displacement sensor depends on an evaluation of the application, including required accuracy and the environment in which the sensor will be used.
Tactile sensors
Tactile displacement sensors such as the linear variable differential transformer (LVDT) convert the motions of objects to which they are mechanically attached into electrical signals. An LVDT houses a movable core within a hollow tube-like assembly containing a primary winding in the middle of two secondary windings. The primary winding is energized with an alternating current (AC) and as the core moves within the center of the tube, a differential AC voltage is generated between the secondary windings. This differential voltage is converted into the LVDT’s electrical output signal, often a direct current (DC) voltage or current.
Optical displacement sensors
Two types of optical displacement sensors are laser triangulation, and confocal-chromatic; both shown in Figure 1. Laser triangulation sensors measure distance to an object via angle calculation. The reflected light from a target illuminated with a projected laser spot enters a receiving element at a particular angle, depending on the distance. The distance to the target is calculated by comparing the location of the light on the receiver element, and the distance from the laser projector to the receiver element.
Confocal-chromatic sensors gauge distance by sensing differences in color. The sensor emits a beam of white light through an arrangement of lenses that break down the light into monochromatic wavelengths via chromatic aberration (also known as imaging error or longitudinal color aberration) of the lenses. The light reflected by the object is gathered and analyzed by a spectrometer within the sensor. The color of the reflected light corresponds to the distance between the target and the sensor.
Advantages and limitations
Tactile displacement sensors and optical displacement sensors each achieve the same result, measuring distance between an object’s position and a reference location, but each type of displacement sensor has advantages and limitations.
Tactile LVDT sensors are based on a proven inductive measuring principle, have a robust sensor design for industrial applications and exhibit good temperature stability. Tactile sensors excel in industrial measurement tasks with their excellent protection against humidity and dirt, good resistance against vibration and shock, and high signal quality.
Tactile sensors do, however, have some disadvantages, including lower measurement speed, requiring contact with the target and mechanical wear. Typical measurement speeds of LVDT sensors and gauges vary from about 30 Hz to 300 Hz, slower than standard optical displacement sensors which realize 50 kHz or even higher. Also, the target must be physically connected to the plunger, limiting maximum measurement speed. Furthermore, the touch points of the plunger can be visible on the target, a particular limitation for sensitive targets like thin glass sheets. Mechanical wear of an LVDT gauge with integrated spring can also add up over time, necessitating replacement of the gauge after its specified lifetime cycles have been expended.
Optical displacement sensors, on the other hand, are a modern technology exhibiting high speed and high accuracy, non-contact measurement without touching the target, and a tiny measurement spot. Fast measuring rates make optical displacement sensors ideal for dynamic measurement tasks. Certain confocal-chromatic sensors can dynamically adapt the target surface’s illumination by regulating the exposure of the CCD line to compensate for changes in the reflectivity of the target. This allows very accurate measurements even at high rates and with changing surface colors. The small measurement spot size — less than 3 µm in some confocal-chromatic sensors — enables even the finest structures and details to be easily detected. Optical displacement sensors are also easily integrated in industrial measurement systems, with compatibility with multiple interfaces such as field bus, analog, RS422, Ethernet, EtherCAT, Profinet and EtherNet/IP.
Confocal sensors from Micro-Epsilon reliably detect fine details and generate light spots smaller than 3 µm.
A drawback of optical displacement sensors is poor performance in dusty, high temperature environments. Dust obscures the line of sight between the sensor and the target, inhibiting accuracy. In addition, at high temperatures, typically over 50° C, the optical and mechanical components of a laser sensor can expand enough to reduce the sensor’s measurement accuracy. This effect can be reduced with a cooled housing.
Micro-Epsilon
Tactile sensors and optical sensors are two categories of devices that perform displacement and position measurements. Each type of displacement sensor has advantages and limitations, requiring an evaluation of each application’s operating requirements. Ultimately, though, optical sensors offer higher accuracy, higher measurement speed and contactless measurement.
ITALIANO
I sensori di spostamento sono ampiamente utilizzati in molti settori per misurare la distanza tra la posizione di un oggetto ed una posizione di riferimento. Oltre a misurare la distanza percorsa da un oggetto, i sensori di spostamento possono essere utilizzati anche per misurare le dimensioni di un oggetto, come larghezza, lunghezza ed altezza. Esistono due ampie categorie di sensori di spostamento: sensori tattili che misurano lo spostamento contattando direttamente il bersaglio e sensori senza contatto che eseguono misurazioni tramite onde elettromagnetiche o raggi ottici senza toccare il bersaglio. La scelta corretta di un sensore di spostamento dipende dalla valutazione dell'applicazione, inclusa la precisione richiesta e dall'ambiente in cui verrà utilizzato il sensore.
Sensori tattili
I sensori di spostamento tattili come il trasformatore differenziale variabile lineare (LVDT) convertono i movimenti degli oggetti a cui sono fissati meccanicamente in segnali elettrici. Un LVDT ospita un nucleo mobile all'interno di un assieme a tubo cavo contenente un avvolgimento primario al centro di due avvolgimenti secondari. L'avvolgimento primario è energizzato con una corrente alternata (CA) e mentre il nucleo si muove all'interno del centro del tubo, viene generata una tensione CA differenziale tra gli avvolgimenti secondari. Questa tensione differenziale viene convertita nel segnale di uscita elettrico dell'LVDT, spesso una tensione o corrente a corrente continua (CC).
Sensori di spostamento ottico
Due tipi di sensori di spostamento ottico sono la triangolazione laser ed il confocale-cromatico; entrambi mostrati nella Figura 1. I sensori di triangolazione laser misurano la distanza da un oggetto tramite il calcolo dell'angolo. La luce riflessa da un bersaglio illuminato con uno spot laser proiettato entra in un elemento ricevente con un angolo particolare, a seconda della distanza. La distanza dal bersaglio viene calcolata confrontando la posizione della luce sull'elemento ricevitore e la distanza dal proiettore laser all'elemento ricevitore.
I sensori confocali-cromatici misurano la distanza rilevando le differenze di colore. Il sensore emette un raggio di luce bianca attraverso una disposizione di lenti che scompongono la luce in lunghezze d'onda monocromatiche tramite l'aberrazione cromatica (nota anche come errore di immagine o aberrazione cromatica longitudinale) delle lenti. La luce riflessa dall'oggetto viene raccolta ed analizzata da uno spettrometro all'interno del sensore. Il colore della luce riflessa corrisponde alla distanza tra il bersaglio ed il sensore.
Vantaggi e limiti
I sensori di spostamento tattile ed i sensori di spostamento ottici ottengono ciascuno lo stesso risultato, misurando la distanza tra la posizione di un oggetto e una posizione di riferimento, ma ogni tipo di sensore di spostamento presenta vantaggi e limiti.
I sensori tattili LVDT si basano su un principio di misurazione induttivo collaudato, hanno un progetto robusto del sensore per applicazioni industriali e mostrano una buona stabilità della temperatura. I sensori tattili eccellono nelle attività di misurazione industriale grazie alla loro eccellente protezione contro l'umidità e lo sporco, alla buona resistenza alle vibrazioni ed agli urti e all'elevata qualità del segnale.
I sensori tattili presentano tuttavia alcuni svantaggi, tra cui una velocità di misurazione inferiore, la necessità di contatto con il bersaglio e l'usura meccanica. Le velocità di misurazione tipiche dei sensori e dei misuratori LVDT variano da circa 30 Hz a 300 Hz, più lente dei sensori di spostamento ottico standard che raggiungono 50 kHz o anche più. Inoltre, il target deve essere fisicamente collegato allo stantuffo, limitando la velocità massima di misurazione. Inoltre, i punti di contatto dello stantuffo possono essere visibili sul target, una limitazione particolare per target sensibili come lastre di vetro sottili. Anche l'usura meccanica di un misuratore LVDT con molla integrata può accumularsi nel tempo, rendendo necessaria la sostituzione del misuratore una volta esauriti i cicli di vita specificati.
I sensori di spostamento ottico, d'altro canto, sono una tecnologia moderna che offre alta velocità ed elevata precisione, misurazione senza contatto senza toccare il bersaglio ed un piccolo punto di misurazione. Le velocità di misura elevate rendono i sensori di spostamento ottico ideali per compiti di misura dinamici. Alcuni sensori confocali-cromatici possono adattare dinamicamente l’illuminazione della superficie del bersaglio regolando l’esposizione della linea CCD per compensare i cambiamenti nella riflettività del bersaglio. Ciò consente misurazioni molto accurate anche a velocità elevate e con colori di superficie variabili. La piccola dimensione del punto di misurazione – inferiore a 3 µm in alcuni sensori confocali-cromatici – consente di rilevare facilmente anche le strutture ed i dettagli più fini. I sensori di spostamento ottico sono facilmente integrabili anche nei sistemi di misurazione industriali, grazie alla compatibilità con molteplici interfacce come bus di campo, analogiche, RS422, Ethernet, EtherCAT, Profinet ed EtherNet/IP.
I sensori confocali di Micro-Epsilon rilevano in modo affidabile i dettagli più fini e generano punti luminosi inferiori a 3 µm.
Uno svantaggio dei sensori di spostamento ottico sono le scarse prestazioni in ambienti polverosi ed ad alta temperatura. La polvere oscura la linea visiva tra il sensore ed il bersaglio, inibendo la precisione. Inoltre, a temperature elevate, in genere superiori a 50° C, i componenti ottici e meccanici di un sensore laser possono espandersi abbastanza da ridurre la precisione di misurazione del sensore. Questo effetto può essere ridotto con un alloggiamento raffreddato.
Micro-Epsilon
I sensori tattili ed i sensori ottici sono due categorie di dispositivi che eseguono misurazioni di spostamento e posizione. Ogni tipo di sensore di spostamento presenta vantaggi e limiti, che richiedono una valutazione dei requisiti operativi di ciascuna applicazione. In definitiva, però, i sensori ottici offrono maggiore precisione, maggiore velocità di misurazione e misurazione senza contatto.
Da:
https://insights.globalspec.com/article/20149/why-optical-displacement-sensors-replace-tactile-sensors
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