Sensori fotoelettrici

I sensori fotoelettrici, sviluppati negli anni ’50, sono oggi disponibili in diverse tipologie e configurazioni, a supporto di applicazioni di rilevamento in molteplici contesti industriali.

La “digital transformation” arriva oramai alla parte edge delle reti, e qualsiasi oggetto può diventare un nodo IIoT intelligente, e il nucleo centrale di questi cambiamenti è rappresentato dai sensori, che misurano e permettono di rappresentare fenomeni fisici basandosi su tecnologie induttive, capacitive, fotoelettriche, magnetiche e a ultrasuoni. I sensori, “ponte” tra mondo reale e mondo digitale, esistono in molteplici forme da quando sono stati inventati i chip a semiconduttore, ma nuove tecnologie di sensing e recenti innovazioni ne hanno potenziato prestazioni e caratteristiche, tra cui estrema miniaturizzazione, operatività ultra-low power, capacità di interfacciamento con le reti, generazione di segnali “application ready”. Concettualmente in un sensore si possono distinguere tre diversi livelli tecnologici: il core layer, dedicato alla rappresentazione elettrica di un fenomeno del mondo reale; l’integration layer, in cui si sviluppa la modularità tra i diversi elementi logici e di elaborazione, con algoritmi che convertono le misure grezze del sensore in segnali fruibili dal processore; il system layer, con software embedded per connessione con reti basate per esempio su tecnologie Bluetooth Low Energy o WiFi. Nuove tipologie di sensori appaiono sul mercato, aggiungendosi a quelle che si sono nel tempo consolidate ed evolute, e un esempio sono i sensori fotoelettrici.

Concetti base e mercato

La struttura base di un sensore fotoelettrico prevede un “emitter” che genera un raggio di luce visibile o agli infrarossi, sia esso un Light Emitting Diode o un diodo laser, un “receiver” che rileva il raggio luminoso, per esempio un fotodiodo o un fototransistor, e un’elettronica di conversione del segnale da luminoso in elettrico, con amplificazione ed elaborazione per pilotare lo stadio di uscita. Per il mercato dei sensori fotoelettrici, per le sole applicazioni industriali, si prevede, stando a recenti analisi, un tasso di crescita annuale composto (CAGR) superiore all’8% da qui al 2021.  Uno dei principali driver è il trend di integrazione di MEMS (micro electromechanical systems) e NEMS (nanoelectromechanical systems) proprio con sensori fotoelttrici per ottenere dispositivi a più elevata sensibilità relativamente a stimoli del mondo fisico quali temperatura, pressione, presenza/assenza, in una logica smart dove il sensore raccoglie input ambientali, li confronta con dati di riferimento “built-in” e realizza di conseguenza funzioni predefinite.

Sensori a diffusione diretta

Tra le diverse modalità operative dei sensori fotoelettrici, la diffusione diretta, in cui emettitore e ricevitore sono integrati nella stessa unità, con il target che opera da elemento riflettente: l’emettitore invia un raggio luminoso che si diffonde coprendo l’area di rilevazione, e quando il target entra nell’area riflette parte del raggio verso il ricevitore.  Le proprietà riflettenti del target sono determinanti, ed è possibile rilevarne la presenza con affidabilità posto non sia perfettamente riflettente o idealmente nero; inoltre, dato che i sensori a diffusione sono piuttosto “color dependent”, alcune versioni sono utilizzabili per distinguere tra target scuri e chiari. False rilevazioni possono nascere dalla riflessione dello sfondo (background), eliminabile usando per esempio due ricevitori, uno focalizzato sullo spot desiderato e l’altro sul background long range, con output positivo dal sensore solo quando l’intensità della luce al primo ricevitore è più alta di quella al secondo. Nei sensori con soppressione dello sfondo al posto di rilevare l’intensità della luce si può valutare l’angolo di ritorno del raggio. Il sistema è basato su un principio di triangolarizzazione ed è sensibile all’angolo di riflessione, che diminuisce in proporzione alla distanza dell’oggetto: l’emettitore ha un piccolo angolo di emissione, quindi l’angolo che colpisce l’oggetto è piccolo; l’ottica del ricevitore riceve la luce riflessa, sia quella dei target vicini che quella da oggetti lontani sullo sfondo; una logica elettronica dedicata elabora i due segnali, in modo da rilevare la presenza sia del target che dello sfondo. La soppressione di sfondo permette al sensore di ignorare la presenza di uno sfondo molto riflettente anche se si trova dietro a un target più scuro.

Sensori con catarifrangente

Nella modalità “retro-reflective”, basata su catarifrangente, elemento che prevede come caratteristica quella di riflettere la luce nella stessa direzione da cui questa proviene, l’emettitore e il ricevitore sono integrati nella stessa unità, i fasci ottici sono paralleli, il segnale luminoso emesso, riflesso da un catarifrangente, torna verso il sensore, e la rivelazione avviene con l’interruzione del percorso del fascio conseguente la presenza di un target opaco, ma problemi nascono con oggetti riflettenti che possono trarre in inganno il ricevitore.. In questo caso  una soluzione consiste nell’inserire nel sistema ottico dell’emettitore un filtro polarizzatore lungo un’asse orizzontale, mentre nel ricevitore viene inserito un filtro polarizzatore verticale, e in questo modo sono cancellatele le riflessioni delle superfici non otticamente attive. Un filtro polarizzatore consente infatti solo a luce con una certa fase di ritornare al ricevitore, il che permette al sensore di valutare un oggetto brillante come target e non come catarifrangente, dato che la luce riflessa da quest’ultimo subisce uno shift di fase, assente nella luce riflessa dal target.

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