QS30
Universidade Federal do Paraná
Departamento de Engenharia Elétrica
Disciplina de Instrumentação Eletrônica – TE149
Professor Eduardo Parente Ribeiro
Trabalho Sobre Sensor
Sensor Fotoelétrico QS30, Banner Engineering Corporation
Bianca Wright – GRR20060482
1 Introdução
Dado um conjunto de sinais que descreve, por exemplo, uma grandeza física como a temperatura, extrai-se as informações a seu respeito por meio do seu processamento. Porém, antes deste processamento é necessária a conversão do sinal analógico original para um sinal elétrico. Transdutores são os dispositivos responsáveis por esta conversão e, portanto, peça fundamental para o processamento de sinais.
Um sensor fotoelétrico é um transdutor que converte a intensidade luminosa sobre ele incidente em um nível de tensão pré-determinado – a maioria dos sensores responde às variações da intensidade do feixe de luz recebido, seja ela visível ou não.
Este tipo de sensor possui dois componentes principais: um emissor e um receptor. O emissor contém a fonte de luz a ser percebida, a qual pode ser composta por LED’s (Lighting Emithing Diodes) ou ser uma fonte de laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation), sendo a segunda responsável por um feixe de luz estreito, intenso e que aumenta a máxima distância de operação do aparelho.
O receptor geralmente possui um elemento optoeletrônico, tal como um fotodiodo ou fototransistor, os quais captam a luz gerada no emissor, cuja intensidade é convertida em uma diferença de potencial.
Para que o feixe de luz emitido não sofra interferência da luz ambiente, faz-se a modulação da luz gerada. O processo de modulação consiste em chavear a fonte luminosa em alta freqüência – na ordem de kilohertz -, para que o receptor perceba a diferença entre o feixe do emissor e os outros feixes captados – luz ambiente. O receptor é, portanto, sincronizado com o emissor, o que acarreta na amplificação somente dos sinais que estiverem na freqüência de modulação da fonte. Sensores não-modulados são utilizados quando o feixe de luz é direcionado especificamente para o emissor e com o uso de lentes com grande distância focal ou blindagem mecânica.
O receptor é programado para produzir um sinal de saída que varia em torno da saída especificada de acordo com a luz recebida do emissor. Normalmente, os sensores permitem ajuste da quantidade de luz que ocasiona a mudança de estado do sensor.
Alguns sensores fotoelétricos são designados a responder quando objetos interrompem o feixe de luz, geralmente mantido entre o receptor e o emissor. Neste tipo de configuração, o sensor opera no modo oposto ou barreira, ou seja, emissor e receptor estão posicionados opostamente, fazendo com que a luz do emissor incida diretamente no receptor. Outro modo possível é o retroreflexivo, no qual emissor e receptor ocupam o mesmo espaço, sendo um alvo refletor prismático responsável pela chegada do feixe de luz no receptor. Existem sensores que percebem o feixe refletido pelos obstáculos que cortam o feixe, neste caso sendo necessária uma proximidade maior para o funcionamento adequado do dispositivo. Este último modo é classificado como modo difuso, cujo emissor e receptor também ocupam o mesmo espaço, mas não há anteparo reflexivo – quando um objeto entra na região sensora, reflete a luz de forma difusa, a qual é projetada por uma lente sobre o detector fotoelétrico.
Como exemplo de sensor fotoelétrico foi escolhido o Sensor Laser de Modo Difuso QS30, produzido pela americana Banner Engineering Corporation, apresentado na Figura 1. O QS30 é um sensor fotoelétrico que utiliza feixe de laser visível para detecção difusa – embora seja também utilizado em apllicações de supressão de fundo, o que permite o seu tanto para longas distâncias quanto para distâncias muito próximas, sendo que ele detecta o feixe de laser por meio de transistores fotossensíveis.
Figura 1: Sensor Laser QS30. Fonte: (4)
2 Especificações
O sensor QS30 abrange dois tipos diferentes de laser a serem utilizados: o Classe I, que deve ser manipulado com instrumentos ópticos adequados para o ajuste do feixe, mas também ser administrado em condições de operação previsíveis; e o Classe II, utilizado para longas distâncias, porém com potência menor, o que não oferece grande risco ao sistema visual humano, a não ser que um indivíduo olhe diretamente para o feixe, suportando à reação natural de piscar. Ambas as classes emitem somente comprimentos de onda visíveis: de 400 a 700nm.
Quanto ao receptor, o sensor possui como saída duas saídas digitais bipolares, PNP e NPN, as quais são configuradas identicamente, suportando uma corrente máxima de 150mA, com corrente de fuga menor do que 10µA com o sensor desligado e uma tensão aplicada de 30V em corrente contínua. A saída NPN apresenta uma tensão de saturação de 1V com o dispositivo ligado com uma carga de 150mA, enquanto que a saída PNP apresenta a diferença de potencial de 2V. A proteção de saída atua em caso de curto circuito, sobrecarga contínua, sobretensões transientes e pulso falso na ligação.
O feixe de luz detectado é de 650nm, sendo vermelho e visível, com aproximadamente 2mm de largura na abertura do sensor, cujo tempo de resposta na saída de 500µs e a repetibilidade é de 70µs - o que representa uma freqüência de operação de aproximadamente 14kHz?. Os gráficos da Figura 2(a) e 2(b) demonstram a relação do ganho com relação à distância entre o sensor e o anteparo em modo difuso e a largura do feixe conforme a distância do sensor, respectivamente. A tensão de alimentação pode variar entre 10 e 30V em corrente contínua (35mA de corrente máxima, sem carga) – o que representa até 10% de variação em torno do valor nominal, para 10% do ciclo de trabalho. Os circuitos de proteção na alimentação atuam contra polaridade reversa, sobrevoltagem e tensões transientes.
Figura 2: Gráficos do Sensor QS30 em Modo Difuso. Fonte: (4)
O alojamento do sensor é constituído do composto plástico PC/ABS, um material altamente rígido e resistente às chamas. Já a tampa pela qual passa o feixe de laser é constituída de acrílico. As conexões são feitas por meio de cabos de PVC ou encaixe de conexão rápida estilo europeu. O sensor suporta de 10 a 60Hz de vibração, com amplitude dupla de 1,5mm e aceleração máxima de 10G.
A temperatura de operação fica em torno de 50ºC sem condensação, com 90% de humidade e operação normal entre -10ºC e 50ºC.
A Associação Nacional de Indústrias Elétricas (NEMA), uma associação de indústrias americanas que fabricam equipamentos elétricos, desenvolveu várias especificações industriais, dentre elas uma escala que indica as condições do ambiente industrial nas quais os equipamentos podem ser utilizados, na qual o QS30 é caracterizado como NEMA 6 e IP67, cujas descrições indicam que ele é à prova de pó e protegido contra a entrada de água em imersão de um metro estanque quando submerso, mas também à prova de gelo e resistente ao uso interno e externo.
3 Aplicações
Uma das principais aplicações dos sensores QS30 é o seu uso como sensor de supressão de fundo – uma espécie de modo difuso composto, em que o sensor é utilizado para detecção confiável de objetos em um campo de detecção definido enquanto ignora objetos além do ponto de desligamento. As Figuras 3(c) e 3(d) ilustram tal aplicação: observa-se o sensor monitorando uma esteira. Neste caso, o sensor é utilizado como ferramenta de controle, verificando as distâncias e velocidade ou até possíveis erros da produção que passa pela esteira.
O controle de posição de um robô em uma prateleira de estoque pode ser feito por meio de dois sensores QS30, de forma a mapear a sua posição na horizontal e na vertical, com base nas prateleiras do estoque, como o mostrado na Figura 3(a). Com a interação entre computador e sensores, é possível fazer com que o robô localize a prateleira desejada e pegue o objeto correto.
O sensor com laser também permite a identificação de erros na linha de produção e posicionamento de peças, conforme a Figura 3(b), aplicação na qual geralmente usa-se fibra óptica junto ao sensor, em situações de altas temperaturas, choques e vibrações. Esta operação é no modo de supressão de fundo, em que dois feixes são emitidos e refletidos por pontos diferentes, ainda por difusão, analisados por dois receptores posicionados lado a lado para reconhecimento de um objeto - quando o feixe que chega no primeiro receptor é igual ao que chega no segundo.
Figura 3: Aplicações do QS30. Fonte: (3)
O fabricante alerta, porém, que este tipo de sensor não deve ser utilizado para proteção pessoal, o que exige circuitos de autoverificação necessários para a permissão para tal uso.
4 Conclusão
O sensor QS30 apresenta-se versátil a diversas aplicações, e é utilizável em diferentes modos, como visto nas aplicações em modo difuso e em modo de supressão de fundo. A utilização do feixe de laser como a luz a ser percebida é um fator importante, que eleva a qualidade do controle a ser realizado, apesar de um preço maior. O laser também amplia a possibilidade de distâncias de operação, é por meio dele que os sensores com grande alcance são possíveis.
Ele também apresenta a vantagem de ser montado em um único módulo, tanto usado em modo difuso, quanto em supressão de fundo. Isso é importante quando só é possível instalar o sensor em um lado de uma esteira, por exemplo. Como desvantagens, ele possui dependências com relação ao material a ser detectado – a refletibilidade do material afeta a sua operação, bem como o ângulo de incidência do feixe: o sensor deve estar perfeitamente paralelo ao material para uma operação correta. A sujeita também afeta a operação – quando acumula-se poeira na lente, o sensor perde parte da sua sensibilidade, chegando ao ponto do feixe emitido ser diretamente refletido na lente e voltar ao receptor, fazendo com que a saída do sensor seja completamente equivocada.
Deve-se, portanto, realizar um estudo do local onde o sensor será instalado, para determinar em qual modo ele deve operar e qual o seu princípio de funcionamento, bem como as influências do ambiente, o alcance do sensor, a sua precisão e robustez necessários. Geralmente este tipo de sensor é aplicado em soluções de automação em indústrias com ambiente rigidamente controlado, devido ao seu elevado custo em relação a sensores mais simples, que não permitem programação, mas também ao seu alto desempenho em diferentes situações.
5 Referências
(1) CARVALHO, MARCOS J. F. Avaliação da conformidade de veículos terrestres: análise metrológica e modernização de um sistema para medição de velocidade. Rio de Janeiro: PUC, 2004. 168 f. Dissertação (Mestrado) – Programa de Pós-Graduação em Metrologia para a Qualidade e Inovação, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, 2004.
(2) Banner iKnow(TM). Photoelectrics - Online Training, 2006, P1_00_010?">http://www.bannerengineering.com/training/subtopic.php?subtopicID=P1_00_010? , acesso em agosto de 2008.
(3) Banner Engineering Corp. Série WORLD-BEAM QS30, 2008, http://www.bannerengineering.com/pt-BR/products/66/Sensors/177/Midsize-Photoelectric/149/WORLD-BEAM-QS30-Series/, acesso em agosto de 2008.
(4) Banner Engineering Corp. QS30LD Diffuse Laser Series – Portuguese, 2008, http://info.bannersalesforce.com/xpedio/groups/public/documents/literature/pd125.pdf, acesso em agosto de 2008
(5) Johnson Electric. Tipos de vedação: TH-Contact, 2007, http://www.th-contact.com/Enclosure-types.324.0.html?&L=7, acesso em agosto de 2008.