作者：Steven Keeping

　　快速移動(dòng)輸送機(jī)廣泛應(yīng)用于工廠自動(dòng)化，以加速生產(chǎn)并提高效率。但有時(shí)，事情可能會(huì)出錯(cuò)。一個(gè)常見的問題是干擾。一件物品被卡住，然后其他物品很快就會(huì)堆積在后面。這不僅不利于吞吐量并損壞輸送系統(tǒng)，而且還可能對(duì)附近的工人造成危險(xiǎn)。

　　激光探測器是消除這些堵塞的一種解決方案。通過將光束照射到傳送帶上并檢測反射，傳感器可以檢查是否有滯留的物品，并在損壞發(fā)生之前停止系統(tǒng)。雖然激光探測器安裝和使用簡單，但并非萬無一失。例如，如果多個(gè)物品正在移動(dòng)，但它們之間沒有間隙，系統(tǒng)可能會(huì)斷定存在堵塞并不必要地停止傳送帶。

　　最近推出的激光傳感器產(chǎn)品通過利用更先進(jìn)的光學(xué)技術(shù)和軟件算法減少了誤報(bào)的數(shù)量。

　　本文簡要介紹了用于堵塞檢測的兩種類型的光傳感器：LED 和激光。然后重點(diǎn)關(guān)注飛行時(shí)間 (ToF) 激光器，并考慮決定傳感器性能的關(guān)鍵因素。本文還介紹了Banner Engineering的真實(shí) ToF 激光傳感器，并說明了如何為傳送帶堵塞檢測應(yīng)用進(jìn)行設(shè)置。

　　什么是激光傳感器?

　　激光傳感器使用相干光束來檢測物體并幫助確定其距離。在沒有物體的情況下，光從固定的參考表面反射。然而，如果物體確實(shí)穿過光束，光線會(huì)以不同的強(qiáng)度和較短的距離反射，從而觸發(fā)傳感器。 LED 傳感器還可以利用光來檢測物體的存在，并且往往更便宜，但近年來成本差距已經(jīng)縮小，并且激光傳感器在多個(gè)方面在技術(shù)上更為優(yōu)越。

　　例如，與 LED 傳感器相比，激光類型的感應(yīng)范圍明顯更大，檢測精度更高。此外，嚴(yán)格控制的激光束在長距離上產(chǎn)生小光斑，即使在反射性差的表面上也能產(chǎn)生良好的反射。例如，這些屬性使激光傳感器能夠檢測微小物體，甚至細(xì)到細(xì)線。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是激光傳感器可以通過孔或狹窄開口檢測物體(圖 1)。

　　圖 1：即使對(duì)于反射表面較差的產(chǎn)品，激光傳感器也能提供良好的反射。 (圖片來源：邦納工程)

　　激光傳感器使用兩種技術(shù)來確定到被檢測物體的距離：三角測量或光束 ToF。三角測量技術(shù)使用反射光的角度來確定其與傳感器的距離。 ToF 傳感器，顧名思義，測量光束傳播到物體并返回所需的時(shí)間。然后，他們使用已知的光速 (“c”) 使用簡單的公式計(jì)算到物體的距離： 到物體的距離(以米為單位) (m) = ToF (以秒為單位)/2 xc 以米每秒 (m) 為單位/s)(圖 2)。

　　圖 2：ToF 技術(shù)測量光脈沖傳播到物體并返回所需的時(shí)間，然后應(yīng)用一個(gè)簡單的公式來計(jì)算到物體的距離。 (圖片來源：邦納工程)

　　使用三角測量的激光傳感器在 100 毫米以內(nèi)的短距離內(nèi)更便宜且更精確。 ToF 類型更適合長達(dá) 24 m 的長距離檢測。輸送機(jī)堵塞檢測應(yīng)用需要激光傳感器在幾米范圍內(nèi)運(yùn)行，因此在本文的其余部分中，僅考慮后一種類型。

　　激光傳感器的選擇標(biāo)準(zhǔn)

　　雖然激光傳感器在技術(shù)上優(yōu)于 LED 設(shè)備，但仍需要仔細(xì)選擇，以確保為特定應(yīng)用選擇最佳傳感器。

　　要考慮的關(guān)鍵參數(shù)包括：

　　重復(fù)性(或再現(xiàn)性)：這是指傳感器在相同條件下重復(fù)相同測量的可靠性。例如，0.5毫米的重復(fù)性意味著同一目標(biāo)的多次測量都將在±0.5毫米之內(nèi)。

　　最小物體間隔(MOS)：這是指目標(biāo)必須與其背景分開才能被傳感器可靠地檢測到的最小距離。 0.5 毫米的 MOS 意味著傳感器可以檢測距背景至少 0.5 毫米的物體(圖 3)。

　　分辨率：這是傳感器可以檢測到的最小距離變化的度量。 0.5 毫米的分辨率意味著傳感器可以檢測小至 0.5 毫米的變化。該規(guī)格與最佳情況重復(fù)性相同，但它表示為絕對(duì)數(shù)字而不是公差。

　　準(zhǔn)確度：這是實(shí)際值與測量值之間的差異。用于評(píng)估沒有參考目標(biāo)的未知距離的測量精度。當(dāng)比較多個(gè)傳感器的測量值時(shí)，此測量非常有用。

　　線性度：當(dāng)查看已知參考目標(biāo)的測量相對(duì)變化時(shí)，這是精度的替代參數(shù)。它類似于校準(zhǔn)模擬傳感器的 4 和 20 毫安 (mA) 點(diǎn)，其中所有距離測量都與示教條件相關(guān)。

　　圖 3：MOS 是傳感器可靠檢測到的目標(biāo)必須與其背景分離的最小距離。 (圖片來源：邦納工程)

　　選擇激光傳感器首先要使其功能與應(yīng)用的尺寸特征相匹配。例如，待檢測的物體是在厘米遠(yuǎn)還是幾米遠(yuǎn)。但根據(jù)待檢測物體的顏色和反射率，還有進(jìn)一步的選擇標(biāo)準(zhǔn)。

　　針對(duì)具有挑戰(zhàn)性的目標(biāo)優(yōu)化激光傳感器

　　激光傳感器面臨的常見挑戰(zhàn)包括具有高反射表面的物體以及具有深色或啞光表面的物體。為了應(yīng)對(duì)前者，工程師應(yīng)選擇具有自動(dòng)增益補(bǔ)償功能的激光傳感器，以便設(shè)備降低增益以降低激光強(qiáng)度，從而降低反射光的強(qiáng)度。增益補(bǔ)償有助于保持精度。當(dāng)尋找黑暗或反射性差的物體時(shí)，返回信號(hào)可能非常微弱并且難以檢測。解決方案是指定一個(gè)激光傳感器，該傳感器可以自動(dòng)增加增益以放大反射信號(hào)，從而可靠地檢測其他傳感器可能難以觀察到的目標(biāo)。

　　對(duì)于許多應(yīng)用來說，緊密聚焦的光斑是理想的選擇。例如，在目標(biāo)包含多種顏色的情況下，小光點(diǎn)效果最佳。聚焦點(diǎn)可以僅針對(duì)多色產(chǎn)品上的一種顏色，以獲得一致且可靠的反射(圖 4，頂部)。小光束點(diǎn)還可用于聚焦在異型表面的特定點(diǎn)上。這種關(guān)注再次確保了穩(wěn)健的運(yùn)行(圖 4，底部)。

　　圖 4：緊密聚焦的光斑在彩色和異形表面上可靠地工作。 (圖片來源：邦納工程)

　　但選擇具有聚焦點(diǎn)的激光傳感器并不能解決所有應(yīng)用的問題。有時(shí)，更大、更分散的光點(diǎn)是更好的選擇。例如，用大光斑照射粗糙表面可以對(duì)反射光進(jìn)行平均，從而提高測量穩(wěn)定性(圖 5)。

　　圖 5：更分散的光斑在粗糙表面上效果更好，因?yàn)樗鶗?huì)平均來自高處和低處區(qū)域的反射。 (圖片來源：邦納工程)

　　清除輸送機(jī)堵塞

　　快速移動(dòng)的工廠輸送機(jī)很容易發(fā)生堵塞，尤其是在彎道處，貨物可能會(huì)在彎道出口處迅速堆積。曲線還容易出現(xiàn)假堵塞，因?yàn)榇罅康陌ǔ閭鹘y(tǒng)傳感器檢測堵塞提供的間隙很少(圖 6)。

　　圖 6：輸送機(jī)曲線很容易出現(xiàn)錯(cuò)誤的堵塞警報(bào)，因?yàn)榇罅康陌鳛閭鹘y(tǒng)傳感器檢測缺乏運(yùn)動(dòng)提供了很少的間隙。 (圖片來源：邦納工程)

　　針對(duì)錯(cuò)誤卡紙的常見解決方法通常會(huì)導(dǎo)致比其解決的問題更多的問題。典型的方法包括添加延遲計(jì)時(shí)器，以給予“清除”錯(cuò)誤堵塞的時(shí)間。雖然這種延遲可以發(fā)揮作用，但如果發(fā)生更嚴(yán)重的堵塞，響應(yīng)就會(huì)延遲，并且可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備過度磨損，因?yàn)楦嗟陌逊e起來并對(duì)輸送機(jī)部件造成壓力。此外，堵塞所涉及的力可能會(huì)損壞卡在傳送帶上的貨物。最后，嚴(yán)重的擁堵通常是由工作人員在延誤期間試圖用所謂的擁堵桿清理線路來解決的。這會(huì)帶來風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)楣と嗽诖笮碗妱?dòng)機(jī)仍在運(yùn)行的情況下進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域。

　　錯(cuò)誤堵塞很常見：Banner Engineering 援引一位客戶的話說，該客戶發(fā)現(xiàn)使用傳統(tǒng)傳感方法“檢測到”的輸送機(jī)堵塞中 82% 都是誤報(bào)。誤報(bào)不僅會(huì)造成損害并危及工作人員的安全，而且還會(huì)造成金錢損失。這些費(fèi)用包括：

　　生產(chǎn)力下降

　　下游進(jìn)程缺乏工作

　　維護(hù)人員浪費(fèi)時(shí)間診斷錯(cuò)誤問題

　　輸送機(jī)系統(tǒng)因不斷停止和啟動(dòng)而產(chǎn)生的磨損

　　這一工程挑戰(zhàn)的解決方案是激光傳感器，它可以最大限度地減少錯(cuò)誤的堵塞檢測，同時(shí)對(duì)真正的堵塞做出快速反應(yīng)。一種選擇是Banner Engineering 的Q5X系列 ToF 傳感器中的Q5XKLAF10000-Q8 (圖 7)。該傳感器的工作范圍為 50 mm 至 10 m，重復(fù)精度為 ±0.5 至 10 mm，MOS 為 1 至 70 mm，分辨率為 1 至 30 mm，線性度為 ±5 至 150 mm，精度為±3至150毫米。該激光傳感器還具有自動(dòng)增益補(bǔ)償和用戶可選擇的響應(yīng)時(shí)間(3、5、15、25 或 50 毫秒 (ms))。

　　Q5XKLAF10000-Q8 特別適合輸送機(jī)應(yīng)用的其他主要特性包括：

　　內(nèi)置堵塞檢測算法，不依賴間隙來感知包裹流

　　能夠檢測各種包裝類型，包括盒子、瓶子和塑料袋

　　行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) M12 連接器

　　多種安裝支架

　　圖 7：Q5XKLAF10000-Q8 激光傳感器是一款緊湊型傳送帶堵塞檢測器，包含內(nèi)置堵塞檢測算法，該算法不依賴間隙來感測目標(biāo)物體流。 (圖片來源：邦納工程)

　　設(shè)置激光光學(xué)傳感器

　　對(duì)于上述輸送機(jī)曲線應(yīng)用，Q5X 激光傳感器應(yīng)立即安裝在曲線之后，以便最早進(jìn)行堵塞檢測。該設(shè)備具有兩個(gè)輸出指示器、一個(gè)顯示屏和三個(gè)按鈕。應(yīng)安裝在支架上，以確保最佳的檢測可靠性和MOS性能。建議的方向如圖 8 所示。然后連接激光傳感器，如圖 9 所示。

　　圖 8：Q5XKLAF10000-Q8 激光傳感器在與目標(biāo)物體流成 90° 安裝時(shí)效果最佳。 (圖片來源：邦納工程)

　　圖 9：激光傳感器的電氣和信號(hào)連接通過標(biāo)準(zhǔn) M12 連接器進(jìn)行。該圖顯示了 0 至 10 伏模擬系統(tǒng)的設(shè)置。 (圖片來源：邦納工程)

　　一旦定向并通電，激光傳感器必須被引入到其參考表面。這是傳送帶或其他固定裝置的一部分，當(dāng)沒有物體通過傳感器光束時(shí)會(huì)反射光。最佳參考面的選擇對(duì)于激光傳感器的整體性能至關(guān)重要。該表面必須具有啞光或漫射表面光潔度，無油、無水或灰塵，具有永久位置，并且無振動(dòng)。表面也應(yīng)在 200 毫米和最大感應(yīng)范圍之間。待檢測的物體應(yīng)盡可能靠近傳感器并盡可能遠(yuǎn)離參考表面。

　　Q5X 激光傳感器使用按鈕和顯示屏進(jìn)行編程。編程是通過訪問菜單并輸入功能參數(shù)值來實(shí)現(xiàn)的。例如，一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是“雙模式”;該模式記錄從參考表面接收到的距離和光量。然后，當(dāng)感知距離或返回光量發(fā)生變化時(shí)，傳感器會(huì)記錄在傳感器和參考表面之間經(jīng)過的物體。

　　另一個(gè)需要編程的重要參數(shù)是“果醬回射”。這是雙模式的擴(kuò)展，可優(yōu)化存在背景時(shí)的卡紙檢測。設(shè)置獨(dú)立的堵塞范圍值，該值定義了符合“未堵塞”資格所需的最小對(duì)象移動(dòng)，該值與自動(dòng)確定的強(qiáng)度閾值相結(jié)合，確定對(duì)象正在移動(dòng)。當(dāng)不存在背景時(shí)，有一個(gè)類似的“示教”模式用于優(yōu)化卡紙檢測。

　　結(jié)論

　　保持工廠自動(dòng)化輸送機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)于保持生產(chǎn)力和確保工人安全非常重要。但即使在最好的生產(chǎn)線上，也會(huì)發(fā)生堵塞。然而，用于檢測這些堵塞的傳統(tǒng)方法經(jīng)常會(huì)觸發(fā)誤報(bào)。如圖所示，Banner Engineering 等公司的最新一代激光傳感器具有可最大限度減少錯(cuò)誤檢測的先進(jìn)功能，并且相對(duì)易于安裝和編程以獲得最佳性能。