Mikä valokenno minun tulisi valita?

Valokenno on suunniteltu tunnistamaan kohteita, mutta juuri oikean valokennon valitseminen tiettyyn sovellukseen ja tietyn kohteen tunnistamiseen voi olla haastavaa ilman tietoa valokennojen tunnistustavoista ja niiden eroista toisiinsa nähden. Esimerkiksi nosto-oven oviaukkoon voidaan periaatteessa asentaa lähes mikä tahansa valokennotyypeistä, mutta vallitseva ympäristö, olosuhteet ja käyttötarkoitus määrittelevät tarkemmin sen, mikä valokennotyyppi pitäisi tosiasiassa oveen asentaa. Joissain tapauksissa lähetin-vastaanotin pari on ainoa järkevä vaihtoehto, kun toisinaan kohteeseen riittää kohteesta heijastava peilivalokenno. Ennen kuin avaamme edellä mainittuja sekä muita valokennotyyppejä syvällisemmin, kerrataan lyhyesti mihin eri valokennotyyppien toiminta perustuu.

Kuten valokennojen toimintaperiaatetta kuvaavassa artikkelissa totesimme, on valokennoissa aina lähetin ja vastaanotin. Riippuen siitä ovatko nämä erillään vai samassa yksikössä, voidaan valokennojen tunnistustavat pääsääntöisesti jakaa kahteen tunnistustapaan, suoraan säteeseen ja kohteesta heijastaviin valokennoihin.

Suoran säteen valokennoja ovat kaikki lähetin-vastaanotin parit, joissa valokenno lähettimen ja vastaanottimen välille muodostuu suora säde. Siksi näitä valokennoja kutsutaan usein nimellä lähetin-vastaanotin pari tai lähetin-vastaanotin valokenno. Kohteesta heijastavat valokennot ovat taas valokennoja, joissa lähetin ja vastaanotin ovat samassa yksikössä, ja niiden toiminta perustuu siihen, että lähettimen lähettämä säde heijastuu kohteesta takaisin vastaanottimelle. Kohde, josta säde heijastuu, voi olla esimerkiksi peili kuten peilivalokennoissa tai tunnistettava esine/kappale kuten kohdevalokennossa. Tutustutaan seuraavaksi näihin valokennotyyppeihin ja niiden variaatioihin.

 

 

1. Lähetin-vastaanotin valokennot

Lähetin-vastaanotin valokennot eli suoran säteen muodostavat valokennot luovat suoran säteen lähettimen ja vastaanottimen välille. Siksi lähetin-vastaanotin pari on aina tehokkain tapa lähettää ja vastaanottaa valoa, koska valo kulkee suoraviivaisesti vain yhteen suuntaan, lähettimeltä vastaanottimelle. Siten lähetin-vastaanotin pareissa toteutuu valokennotyypeistä paras tunnistusetäisyys, joka voi olla esimerkiksi 70-metriä. Toisaalta pitkä tunnistusetäisyys ja säteen kulkeminen vain yhteen suuntaan tarkoittaa myös erinomaista lian läpäisykykyä. Suoran säteen etuuksia ovat myös riippumattomuus tunnistettavan kohteen väristä, koska säde katkeaa aina oli kohde sitten tumma tai vaalea.

 

Lähetin-vastaanotin valokennoparin heikkoutena voidaan nähdä se, että lähetin-vastaanotin valokennopariin vaaditaan aina kaksi anturia, jolloin myös kaapelointi tulee tehdä molempiin päihin. Nykyään on kuitenkin olemassa myös kaapelointia säästäviä vaihtoehtoja, joissa vain vastaanotin tulee yhdistää logiikalle, ja lähettimelle riittää pelkkä syöttö. Tällaisia ovat esimerkiksi kaikki Telco Sensors Space Master sarjat.

Erilaisia lähetin vastaanotin valokennopareja voit selata tästä.

 

2. Kohteesta tunnistavat valokennot

 

2.1 Kohdekennot

Kohdekennot ovat valokennoja, joissa lähetin- ja vastaanotin on sijoitettu samaan yksikköön. Niiden toiminta perustuu siihen, että valo heijastuu tunnistettavasta kohteesta takaisin vastaanottimelle. Suurimpana etuutena voidaan pitää sitä, että nyt tarvitaan vain yksi anturi yhdelle puolelle, mikä on etu etenkin jos sovelluskohteessa ei ole mahdollista asettaa anturia molemmille puolille. Samalla säästetään myös kaapeloinnissa.

 

Kohdevalokennoissa tunnistusetäisyys on rajoitetumpi kuin muissa valokennotyypeissä. Tämä johtuu siitä, että heijastuksen tulee tapahtua kohteesta, joka ei välttämättä jaa hyviä heijastusominaisuuksia. Heikosti heijastava kohde voi olla esimerkiksi musta kumi tai tummunut puu, joista molemmat absorboivat suurimman osan niihin kohdistuvasta säteilystä. Yleisesti kohdekennot ovatkin heikkoja tunnistamaan mustia tai läpinäkyviä kohteita, mutta nykyään on kuitenkin olemassa malleja, jotka pystyvät tunnistamaan kaikki värit luotettavasti. Vaihtoehtoja ovat tällöin esimerkiksi Telco Sensors SMP 8500 ja SMP 8501 kohdevalokennot.

Tummia kohteita ja muita huonosti heijastavia objekteja tunnistettaessa kannattaa huomioida se, että kohdevalokennolta vaaditaan paljon valotehoa, jotta heijastus saadaan ylipäätään aikaiseksi. Siksi kannattaa huomioida myös kohdekennon asennusympäristö: jos tunnistettavan kohteen taustalla sijaitsee hyvin vaaleita tai muita hyvin heijastavia kohteita, kuten vaalea seinä tai peltinen kate, voi kohdekennon heijastus tapahtua kohteen lisäksi myös hyvin heijastavasta taustasta. Jos tunnistusta aiheuttavaa taustaa ei ole mahdollista poistaa tai muuttaa (maalata tummaksi), kannattaa siirtää katse taustavaimennetun kohdevalokennon käyttämiseen.

Erilaisia kohdekennoja voit selata tästä.

 

2.2 Taustavaimennetut kohdekennot

Taustavaimennetut kohdekennot toimivat kohdekennojen tavoin, mutta kuitenkin sillä erotuksella, että niissä on mahdollista asettaa tunnistusraja annetun tunnistusalueen sisälle. Toisin sanoen, jos halutaan tunnistaa vain kappale, mutta ei sen taustalla olevia asioita, on tunnistus mahdollista rajata vain kappaleen tasolle. Taustavaimennetut kohdevalokennot ovat siten erinoimaine ratkaisu tunnistamaan esimerkiksi tummia kappaleita metallisten kuljettimien päältä. Tällöin tunnistus voidaan rajoittaa vain kappaleeseen, eikä heijastuksia kauempaa kuljettimen rakenteista, kuten kiiltävistä ketjuista, teloista tai muista pinnoista lasketa.

Erilaisia taustavaimennettuja kohdekennoja voit selata tästä.

 

 

3. Kohteesta tunnistavat valokennot peilillä

 

3.1 Peilivalokennot

Kohdekennojen tavoin myös peilivalokennojen toimintaperiaate perustuu säteen heijastukseen, mutta tällä kertaa heijastuksen kohteena on peili. Peilin tehtävä on heijastaa valokennolta lähtenyt säde tehokkaasti takaisin vastaanottimelle. Kappaleiden tunnistaminen tapahtuu säteen katketessa, eli kun kappale asettuu peilivalokennon ja peilin väliselle linjalle. Peilivalokennon etuina on kohdekennoja suurempi tunnistusetäisyys, sillä heijastuksen tapahtuessa peilistä (reflektori) mahdollisimman paljon valoa heijastuu takaisin. Peilivalokennon toimintaa voit tarkastella alla olevan kuvan avulla.

 

Peilivalokennojen heikoin lenkki on aina peili, jonka likaantuessa heijastusteho heikkenee ja peilivalokenno ei enää toimi. Ainoa tapa palauttaa peilivalokennon toiminta on tällöin käydä puhdistamassa peili. Suomessa peilien ”likaantumista” aiheuttaa myös huurtuminen, joka on voimakasta etenkin syksyllä ja talvella suurien lämpötilaerojen vuoksi. Peilin huurtumista voidaan ehkäistä lämmitettävällä peilillä. Tällöin kannattaa kuitenkin jo harkita lähetin-vastaanparin asentamista, koska lämmitettävän peilin lämmitysvastus vaatii jokatapauksessa virtaa ja siten johtovedon toiselle puolelle. Lisäksi markkinoilla on myös olemassa suorituskykyisempiä peilivalokennoja, joissa heijastuksen syntymiseen riittää se, että vain pieni osa peilistä säilyy likaantumattomana.

Tavallisten peilivalokenno ei pysty erottamaan sitä, mistä heijastus tapahtuu. Toisin sanoen, tavallisten peilivalokennojen heikkous on se, että ne havaitsevat heijastukset myös peilin ja valokennon väliin saapuvista kiiltävistä kohteista. Jos tavallinen peilikenno on esimerkiksi asennettu valvomaan oven sulkeutumista aukossa, josta kulkee ajoneuvoja, voivat metallinväriset ajoneuvot muodostaa tahattomat heijastuksen vastaanottimelle. Tämän seurauksena voi olla kallis törmäys oven ja ajoneuvon välillä. Tämän ehkäisemiseksi peilivalokennot myydään usein polarisoinnilla varustettuna, josta kerrotaan lisää kappaleessa 3.2.

Erilaisia peilivalokennoja voit selata tästä (polarisoidut ja polarisoimattomat).

 

 

3.2 Polarisoidut peilivalokennot

Polarisoitu peilivalokenno toimii kuten peilikenno, mutta sillä erotuksella, että peili ja vastaanotin ovat molemmat varustettu polarisoivalla kalvolla. Kalvot saavat aikaan polarisoitua valoa, joka tarkoittaa sitä, että valo on vain yhden akselin suuntaista. Polarisoimaton valo tarkoittaa taas ”käsittelemätöntä” valoa, jossa valo on usen akselin suuntaista.

 

Polarisoinnilla voidaan siten yksilöidä peilin ja vastaanottimen valo yhden akselin suuntaiseksi, jolloin vastaanotin voi erotella mikä heijastuva valo on todellisuudessa peräisin valokennon peilistä. Tällöin muut kiiltävät ja heijastusta aiheuttavat objektit eivät häiritse tunnistusta tai aiheuta vaaratilanteita.

Erilaisia polarisoituja peilivalokennoja voit selata tästä.

 

 

4. Valoverhot

 

4.1 Valoverhot on / off

Valoverhot ovat käytännössä sarjaan kytkettyjä valokennoja, jotka muodostavat yhden säteen sijaan usean säteen rivistön. Valoverhot itsenäisesti multiplexaavat lähettämänsä valon, mikä tarkoittaa sitä, ettei esimerkiksi ristiinnäkemistä eri säteiden välille synny. Valoverhoja käytetään silloin, kun halutaan kasvattaa tunnistettavan alueen mittoja. Esimerkiksi automaattiovissa valoverholla pystytään turvaamaan koko oviaukon ala sen sijaan, että asennettaisiin vain yksi valokennopari noin 500 mm lattian pinnasta.

 

Valoverhot ovat usein lähetin-vastaanotin pareja, mikä tarkoittaa sitä, että valoverhoissa on erillinen lähetin ja vastaanotin. Siten ne myös jakavat lähetin-vastaanotin parin hyödyt: valo kulkee vain yhteen suuntaan, jolloin lianläpäisykyky on paras ja tunnistus varmin mahdollinen. Ainoa valoverhojen käyttöön liittyvä kysymys joten niihin on, voidaanko valoverhot asentaa molemmille puolille tunnistettavaa kohdetta. Tämän lisäksi valoverhoja käytettäessä on hyvä luoda silmäys vasteaikoihin: useampi säde tarkoittaa yksittäistä valokennoa suurempaa vasteaikaa, koostuuhan valoverho useammasta säteestä. Usein suurempi vasteaika ei kuitenkaan ole ongelma, sillä jo automaatiologiikan kiertoaika on suurempi kuin itse valoverhon.

Valoverhoja käytetään turvalaitteena erilaisissa kulkuaukoissa estämään tahattomia törmäyksiä. Tälläisia kulkuakkoja ovat esimerkiksi hissit, automaattiset ovet ja portit, ja automaattiset nosto-ovet. Käyttökohteita löytyy myös teollisuuden sovelluksista, joissa vaaditaan laajempialaista tunnistusta. Tälläisia sovelluksia voivat olla esimerkiksi pomppivan lautatavaran tunnistamine kuljettimelta, joka voisi yksittäisellä säteellä jäädä huomaamatta. Valoverhojen etuna on myös niiden kaapelointi; valoverhoista lähtee vain yksi kaapeli, kun taas jokaiselle valokennolle tulee tuoda oma kaapelinsa. Tämä tarkoittaisi esimerkiksi 8-säteen kohdalla joko 2-kaapelia (valoverho) tai 16-kaapelia (valokennot).

Erilaisia on / off valoverhoja voit katsoa tästä: valoverhot hisseihin, valoverhot oviin- ja portteihin, valoverhot nosto-oviin, valoverhot bussi- ja raideliikenteelle, ja valoverhot teollisuuteen.

 

4.2 Mittaavat valoverhot

Mittaavat valoverhot ovat valoverhoja, jotka pystyvät käsittelemään on / off tiedon lisäksi myös yksittäisten säteiden antamaa dataa, mikä mahdollistaa asioiden mittaamisen valoverho lähettimen ja valoverho vastaanottimen välissä. Säteiden dataa eli tässä tapauksessa tietoa siitä onko jokin yksittäinen säde eheä vai katkennut, seurataan usein milliampeeriviestin (4-20 mA) ja/tai IO-link väylän avulla. Mittaavat valoverhot ovat siten myös ohjelmoitavissa ja niiden ohjelmointi tapahtuu joko valmistaman tarjoamalla ohjelmistolla tai itsenäisesti erillisen ohjelman kautta.

Käyttökohteita mittaavilla valoverhoilla on useita, niillä voidaan esimerkiksi suorittaa kuljettimella reunan valvontaa, paikoitusta, määrittää kappaleen halkaisija tai muoto, seurata pinkan korkeutta… Toisin sanoen, mahdollisuuksia mittaamiseen on juuri niin monta kuin käyttäjä viitsii niitä keksiä. Sovellusrajoituksia ei käytännössä ole, sillä tehokkaimmat mittaavat valoverhot kykenevät mittaamaan asioita myös lian, pölyn ja kosteuden seasta.

Erilaisia mittaavia valoverhoja voit katsoa tästä:

 

5. Kuituvalokennot

Kuituvalokennot ova valokennoja, joiden päihin on asennettu valokuitukaapeli. Valokuitu mahdollistaa valokennojen lähettämän valon tuomisen lähemmäksi tunnistettavaa kohdetta, jonka havainnointi valokennolla olisi muuten mahdotonta. Tällaisia kohteita voivat olla esimerkiksi terästeollisuudet sovellukset, joissa lämpötila muuten estäisi valokennojen käyttämisen. Kuitukennojen yhtenä vahvuutena onkin niiden lämmönkestokyky, joka esimerkiksi silikonisilla kaapeleilla on +180 °C ja metallisilla jopa +300 °C. Toisaalta kuitu antaa myös mahdollisuuden käyttää valokennoja ATEX-luokitellussa tilassa (=räjähdysherkässä), kun ATEX-luokittelematon anturi voidaan sijoittaa tilan ulkopuolelle.

Kuituvalokennojen heikkoutena on taas niiden toimintaetäisyys, joka rajoittuu alle 10 metriin tehokkaammillakin valokennopareilla. Tämä johtuu yksinkertaisesti siitä, että valon kulkiessa valokuidun sisässä, sen energia heikkenee. Toisaalta, kuten yllä todettiin, antaa taipuisa kuitu mahdollisuuden tunnistaa kohteita lähempää, jolloin kompromissia tunnistusetäisyyden kanssa ei tarvitse välttämättä tehdä.

Erilaisia kuituja valokennojen päihin liitettäväksi voit katsoa tästä.

 

6. Kehysanturit

ovat valokennoantureita, joissa valonsäde on mahdollista muodostaa kehyksen päihin tai koko kehyksen alueelle. Kyseessä on siten pieni haarukkamainen lähetin-vastaanotin pari, jonka etuna on erittäin nopea vasteaika. Käyttökohteina kehys- ja haarukka-antureille ovat siten erilaiset nopean tunnistuksen sovllukset kuten reunan valvonta. Näillä valokennoilla on mahdollista myös tunnistaa hyvin pieniä kohteita, minkä vuoksi niitä käytetään usein pienten tippuvien kappaleiden havainnointiin.

Tästä voit katsoa erilaisia kehysantureita ja haarukka-antureita.

 

7. TOF-valokennot

ovat mittaavia valokennoja, jotka käyttävät infrapunavaloa etäisyyden mittaamiseen. Kyseessä on siten eräänlainen kohdekenno, jossa lähtevän ja palaavan valon vaihe-eron laskemisen avulla voidaan määrittää anturin etäisyys kohteesta. Sovelluksina ovat siten erilaiset pinnanmittaukset ja muut etäisyyden määritystä vaativat sovellukset kuten drone lennokkien korkeustiedon määrittäminen.

Erilaisia TOF-valokennoja voit katsoa tästä.

 

Yhteenveto

Edellä mainitut tunnistustapojen tarkastelun perusteella voidaan todeta, että valokennoissa ja niiden tunnistustavoissa on eroja. Valitseminen kannattaa siksi aloittaa aina varmimmasta tunnistustavasta eli lähetin vastaanotin valokennoparista. Jos valokennoparin asentaminen on  mahdotonta, kannattaa katse seuraavaksi suunnata tilaa säästäviin ratkaisuihin, kuten kohdevalokennoihin ja peilivalokennoihin.

Oikean valokennotyypin löydyttyä kannattaa kysyä valokennojen myyjältä niiden soveltuvuutta kohteeseen – myyjä tuntee valokennot ja niiden tunnistustavat myös pintaa syvemmältä ja osaa siten ohjata oikean valokennon valintaan. Lopuksi, voidaan yleisesti todeta, että valokennoilla on mahdollista tunnistaa lähes mitä vain, mistä vain. Ei ole väliä ovatko tunnistamisen kohteet pieniä pakkauslaatikoita, suuria mäntytukkeja tai kuumana hehkuvia teräslamelleja – jokaiseen sovellukseen on löydettävissä juuri oikea valokenno.

 

 

Kirjoittaja: Teemu Turunen / Telnova Oy
kirjoittaja on automaatio-insinööri, joka on työskennellyt valokennojen ja valoverhojen maahantuonnin ja asiantuntijatehtävien parissa usean vuoden ajan.