Valokenno – yleiskuvaus
Valokenno on sähkölaite, joka reagoi siihen osuvan valon voimakkuuden muutokseen. Toisin sanoen, valokenno käyttää valoa kohteen läsnäolon tai poissaolon havaitsemiseen. Valokennoja on käytetty lähes vuosisadan ajan, ja niitä käytettiin ensimmäisen kerran elokuvissa esimerkiksi ääniraitojen lukemiseen. Nykyiset optiset anturit ovat kuitenkin huomattavasti tehokkaampia, ja niistä löytyvät tarkat linssit ja älykäs elektroniikka vakiona. Molemmat komponenteista ovat moderneissa valokennoissa integroitu kestäviin muovi- tai metallikoteloihin, joiden kokoluokka esimerkiksi sylinterimallisissa kennoissa on usein M18 x 1 kuten SM 9000-sarjan valokennoissa tai M12 x 1 kuten SM 3000-sarjan valokennoissa.
Valokennoille tyypillisiä ominaisuuksia ovat pitkä tunnistusetäisyys, nopea vasteaika ja korkea resoluutio. Valokennojen tehtävänä on käyttää valoa kohteen läsnäolon tai poissaolon havaitsemiseen. Toisin sanoen, valokennoja voidaan käyttää lähes minkä tahansa kohteen havaitsemiseen koskematta siihen. Siksi valokennoja käytetäänkin monilla eri tavoilla ja eri teollisuudenaloilla. Niillä voidaan esimerkiksi havaita kappaleita tai kappaleiden paikka tuotantolinjalla, niiden avulla voidaan laskea kappaleita ja niillä voidaan myös pysäyttää esimerkiksi automaattisesti sulkeutuva ovi törmäystilanteessa. Muita kosketusvapaita tunnistustapoja ovat esimerkiksi ultraäänianturit, induktiiviset anturit ja kapasitiiviset anturit.
Valokennolähetin ja -vastaanotin
Toimiakseen valokennot ja muut optiset anturit tarvitsevat valonlähteen eli emiterin sekä vastaanottimen. Emitterit eli lähettimet käyttävät LED eli loistediodeja luodakseen valonsäteitä näkyvän ja näkymättömän valon spektrissä. Koko sähkömagneettisen säteilyn spektri on kuvattu kuvassa 1. Näkymättömällä valolla tarkoitetaan valokennojen tapauksessa infrapunavaloa, jonka aallonpituus on usein 800 – 1000 nm välissä. Esimerkiksi suurin osa Telco Sensors valokennoista toimii 880 nm aallonpituudella, koska tällä alueella valokenno saavuttaa parhaan lianläpäisykyvyn. Näkyvän valon valokenno taas usein hyödyntää punaisen valon spektriä, jonka aallonpituus on 630–740 nanometriä. Näkyvän valon valokennon etuna pidetään yleensä sitä, että säteen kohdistaminen on helpompaa silloin, kun säteen voi nähdä.
Kuva 1: Valokennojen käyttämät aallonpituudet ovat näkyvän ja IR-valon alueella (1).
Valokennovastaanottimet, eli valodiodeista tai valotransistoreista rakennetut optiset anturit, ovat suunniteltu havaitsemaan valokennolähettimen lähettämän valonsäteen. Vastaanottimen tehtävä on indikoida vastaanottaako se lähettimen valoa vai ei. Toisin sanoen, valokennojen toimintaperiaate yleisellä tasolla perustuu valon kulkuun lähettimen ja vastaanottimen välillä.
Valokennojen toimintaperiaatetta voidaan havainnollistaa tarkemmin kuvan 2 avulla. Kuvassa vasemmalla on lähetin, joka tuottaa valonsäteen. Tuotettu valonsäde suunnataan linssin läpi ja kuvassa oikealla oleva vastaanotin pyrkii linssin avulla keskittämään saapuvan valonsäteen sen sisältämälle tunnistimelle eli valotransistorille. Jos yhteys on esteetön, muodostuu lähettimen ja vastaanottimen välille eheä säde. Jos taas luotu säde katkeaa lähettimen ja vastaanottimen välillä, indikoi vastaanotin, että välissä on este.
Kuva 2: Valokennolähettimen ja -vastaanotimen toiminta (2).
Valokenno – Valon taajuus ratkaisee!
Valokennon perusperiaate on aistia valoa, joten on ymmärrettävää että sen toiminta voi häiriintyä vastaanottimellelle tulvivasta ulkoisesta valosta. Ulkoisella valolla tarkoitetaan mitä tahansa ympäristössä olevaa valoa, jonka lähteenä voi ulkona olla esimerkiksi aurinko tai sisätiloissa katossa säteilevä loisteputki. Jotta ulkoista valoa ja siitä johtuvia häiriötilanteita voitaisiin välttää, käytetään valonsäteen muodostamiseen oskillaattorin tuottamaa värähtelevää kanttiaaltoa, jonka taajuus on ennalta määritetty. Haluttu taajuus saavutetaan kytkemällä lähettimessä valonsäde päälle ja pois päältä hyvin tiheällä taajuudella. Värähtelytaajuus mitataan kilohertseissä (KHz), joten värähtelyä on mahdotonta huomata paljaalla silmällä.
Vastaanotin on synkronoitu lähettimen värähtelytaajuudelle. Toisin sanoen, vastaanottimen havaitessa valoa se ensin skannaa valon taajuuden varmistaakseen, että vastaanotettu valo on samalla taajuudella kuin lähettimen lähettämä valo. Oikealla taajuudella oleva valo ”hyväksytään”, jolloin valokenno lähettimen ja vastaanottimen välille muodostuu eheä säde. Värähtelytaajuutta hyödyntävä valokenno kykenee siten suodattamaan siihen kohdistuvaa ulkoista valoa, ja havaitsemaan ihannetilanteessa vain lähettimen muodostamaa valoa.
On kuitenkin huomattava, ettei värähtelytaajuuden määrittäminen tee valokennosta kuitenkaan täysin immuunia ulkoiselle valolle. Esimerkiksi auringosta lähtevä säteily täyttää koko näkyvän ja näkymättömän valon spektrin minkä lisäksi valo on yhtäjaksoista, mikä vuoksi se voi häiritä valokenno vastaanottimen toimintaa. Vastaavasti valokennovastaanottimen läheisyyteen asemoitu toinen valokenno tai muu optinen anturi voi häiritä valokennovastaanottimen toimintaa, jos laitteiden toimintataajuus ja valon aallonpituus ovat samat tai riittävän lähellä toisiaan.
Taajuuslähestymistavan muut hyödyt
Taajuuslähestymistapaan liittyy myös muita valokennon toimintaan positiivisesti vaikuttavia tekijöitä. Värähtelytaajuuden sivuvaikutuksena on mahdollisuus käyttää anturia pidemmällä etäisyydellä ja pienemällä teholla. Tehon laskiessa myös valokennon kuumeneminen on vähäisempää, jonka voidaan katsoa parantavan valokennon oletettua toimintaikää. Valokennon tehon ollessa pieni ei se myöskään aiheuta näkövaurion vaaraa paljaalle silmälle (poislukien laserit, jotka lavealla otaksunnalla kuuluvat valokennojen piiriin).
Kuvien lähteet:
(2) Ashok Kumar L., Indragandhi V., Uma Maheswari Y., Chapter 6 – Simulation of Hydraulic and Pneumatic Valves: Programmable Logic Controller, 2020.
Etsitkö valokennoa?
Katso saatavilla olevat Telco Sensors valokennot tästä tai ota yhteyttä alla olevalla lomakkeella.
