חיישנים פוטואלקטריים - התפתחות, טכנולוגיה ויישומים

חיישנים פוטואלקטריים הם סנסורים אופטיים שמשמשים במגוון רחב של יישומים, החל מאוטומציה תעשייתית ועד למכשירים לצרכן. בחיישנים פוטואלקטריים משתמשים רבות בזכות הוורסטיליות, האמינות והיעילות שלהם. חיישנים אלו משתמשים באור כדי לזהות נוכחות, גוון, צבע או מרחק של אובייקט, ומהווים כלי נפוץ מאד במגוון רחב של תעשיות. לפעמים בתעשייה קוראים להם "עיניים", פוטו-סנסור, חיישן אופטי, סנסור אופטי. הכוונה לאותו מוצר.

פעולת חיישנים פוטואלקטריים

חיישנים פוטואלקטריים פועלים על פי עקרון הזיהוי של אנרגיית אור, שבדרך כלל החיישן עצמו מייצר. חיישן פוטואלקטרי בדרך כולל שלושה רכיבים עיקריים: מקור אור, מקלט ומעגל עיבוד אות. מקור האור יכול להיות בצבעי אור שונים, במיקוד שונה או אפילו לייזר. האור נקלט במקלט האור ומזוהה שם באמצעות מעגל חשמלי שמבצע עיבוד אותות. כאשר עצם נכנס לנתיב קרינת האור, הוא מחזיר או מסתיר את האור, מה שגורם לשינוי בקבלת האות במקלט. השינוי הזה מלמד את החיישן אם קיים או לא-קיים העצם הנבדק.

חיישנים פוטואלקטריים מגיעים בתצורות שונות:

• כשהמשדר נמצא מול המקלט (through-Beam). במקרה זה העצם הנבדק עובר בין המשדר והמקלט וחוסם את האור למקלט. היתרון בשיטה זו היא זיהוי בקלות, ללא קשר לצבע, מרקם או חומר של העצם הנבדק.
  
• כשהמשדר והמקלט נמצאים סמוכים והעצם הנבדק מחזיר את האור המשודר למקלט, מה שנקרא, "החזרה עצמית" (Diffuse-Reflective). כאן יש פשטות התקנה. לא נדרש להתקין בשני צדדים את הרכיבים של החיישן, אך הזיהוי יכול להשתנות בהתאם לצבע וחומר החיישן. למשל, חומר כמו מראה יתקבל אחרת לגמרי, לעומת חומר לבן קרמי, או שחור מט.
  
• חיישנים שהמשדר והמקלט סמוכים זה לזה, אך האור משודר לעבר מחזיר אור, רפלקטור (Retro-Reflective). הרפלקטור מבצע קיטוב של האור מחזיר אותו לחיישן. באמצעות מסנן שבמקלט, האור המקוטב בלבד מזוהה. עצם נבדק חוסם את הרפלקטור, האור המקוטב לא חוזר למקלט וכך העצם מזוהה. אם חוזר למקלט אור מהעצם עצמו, הוא לא יזוהה, כי האור אינו מקוטב. היתרון בשיטה זו היא שהתוצאה דומה לזו שהחיישן עם משדר מול מקלט, אך ההתקנה פשוטה, כי אין צורך להזין בחשמל את הרפלקטור. בהתאם לסוג החיישן, ניתן לזהות בטכנולוגיה זו גם מוצרים שקופים לגמרי, כי למרות שקיפותם, הם עדיין יוצרים הפרעה בקיטוב האור.
  

התפתחותם של טכנולוגיית חיישנים פוטואלקטריים

הטכנולוגיה של חיישנים הפוטואלקטריים היא מתחילת המאה ה-20, כאשר חוקרים החלו לחקור את האפקט הפוטואלקטרי - התופעה שבה חומרים משדרים אלקטרונים כאשר הם חשופים לאור. בתקופה זו, השימוש היה בעיקר בניסויים מדעיים ובמעבדה.

באמצע המאה ה-20 החלו חיישנים פוטואלקטריים לסייע ביישומים מעשיים באוטומציה תעשייתית. עם ההתקדמות הטכנולוגית, החיישנים הפוטואלקטריים הפכו לקטנים, אמינים ולזולים יותר, מה שגרם למהנדסים להשתמש בהם באופן רחב בתעשיות שונות, כולל ייצור, רכב, אריזה ולוגיסטיקה.

בשנים האחרונות, בזכות חדשנות בחומרים, אופטיקה ועיבוד אותות התפתחה הטכנולוגיה של החיישנים הפוטואלקטריים. מקורות אור משופרים, כמו לדים, דיודות לייזר, שימוש באורי גל שונים, מאפשרים ביצועים ואורך חיים גבוהים יותר. התקדמות בטכנולוגיית קליטת אור, כמו פוטו-דיודות או פוטו-טרנזיסטורים, הגבירה את הרגישות ואת זמני התגובה.

מעבר לכך, שילוב מיקרו-בקרים ויכולות עיבוד אותות דיגיטליות מתקדמות אפשרו תכונות מתקדמות כגון התעלמות מרקע (Background Suppression) , זיהוי צבעים, זיהוי לפי מרחק ועוד. פיתוחים אלו הרחיבו את היישומים שבהם ניתן להשתמש בחיישנים פוטואלקטריים, מה שהפך אותם לכלים נפוצים במערכות שליטה ואוטומציה תעשייתית.

טכנולוגיות מתקדמות בחיישנים פוטואלקטריים

את העקרונות הבסיסיים של החישה הפוטואלקטרית, ניתן ליישם בצורה טובה ויעילה, באמצעות טכנולוגיות שונות. סנסורים אופטיים מסוגים שונים ייסיעו לנו כאשר נדרש לזהות אובייקטים מיוחדים, ממרחקים גדולים, באזורים שקשה להגיע אליהם וכו'.

1. שימוש באורכי גל שונים: ניתן להשתמש באור בצבעים שונים, כדי לקבל היענות או תגובה לאובייקט שיתאים לצבע האור, או כאשר רוצים לזהות ניגודיות (Contrast Sensor). למשל כך ניתן לזהות סימון צבע על גבי אובייקט. העקרון המנחה בבחירת החיישן: צבע האובייקט יחזיר לחיישן יותר אור, ככל שהוא דומה בצבעו לצבע האור וצבע לבן של האובייקט יחזיר את רוב צבעי האור בעצמה גבוהה. לדוגמה, אם נרצה לזהות סימון אדום על גבי רקע לבן, לא יהיה כדאי להשתמש בסנסור עם אור אדום, כי ההחזר מהסימון ומהרקע יהיה דומה מידי. דווקא יהיה עדיף במקרה זה להשתמש באור כחול, שהצבע האדום לא יחזיר טוב, ביחס לצבע הרקע הלבן והשינוי באות לחיישן יהיה משמעותי.

השוואה בין היענות אור של מטרות בצבעים שונים לחיישנים בצבעים אדום, ירוק וכחול.

2. שימוש בלייזר: חיישני לייזר מאפשרים חישה בנקודה ספציפית וקטנה, כשנדרש לזהות אובייקט בצורה מדוייקת. למשל, זיהוי קיום חומר בתוך חור. קרן אור לייזר מאפשרת גם זיהוי ממרחק גדול יותר, בגלל מיקוד האור. רוב חיישני הלייזר פועלים באמצעות דיודת לייזר.
   

3. סיבים אופטיים: ניתן להוביל את האור המשודר ואת האור למקלט דרך סיבים אופטיים. חיישני סיב אופטי מאפשרים להגיע למקומות קטנים, לאזורים עם תנאי סביבה בעייתיים, ואקום, טמפרטורה גבוהה, כימיקלים, שמן וכדומה. הגמישות של שימוש בסיבים אופטיים מאפשרת יישומים מתקדמים כמו זיהוי נוזלים, שימוש בעדשות מיוחדות או בתצורות מכאניות ייחודיות.
   

4. זיהוי צבע: תהליך זיהוי של צבע האובייקט מתבצע באמצעות חיישן פוטואלקטרי שמשדר אור לבן או אור בכמה צבעים, לרוב אדום, ירוק וכחול. האור שחוזר למקלט משתנה בהתאם לצבע האובייקט. החיישן מודד את אורכי הגל של האור המתקבל במקלט וכך מתבצע זיהוי הצבע. קיימים חיישנים שמזהים צבע מסויים, ומוציאים אות כשהתגלה הצבע הספציפי הזה, או כאלו שממש מוציאים בתקשורת קוד שאומר מה הצבע שזוהה על ידי חיישן הצבע.

חיישנים למדידת צבע, חברת Premosys.

5. שימוש בחומרים: לבחירת החומר ממנו עשוי החיישן יש חשיבות, כאשר עובדים בסביבת כימיקלים, למשל בסביבת דיו להדפסה, או בסביבה שבה הסנסור יכול להיפגע פיזית. אם נדרש עמידה בסביבה כזו, רצוי להשתמש בחיישן שעשוי מפלדת אל-חלד (Stainless Steel).
   
6. תקשורת נתונים: עם התקדמות הטכנולוגיה, ואיתה שימוש בפרוטוקולים של תקשורת נתונים בתעשייה, לחיישנים שונים, בניהם חיישנים פוטואלקטרים, נוספו אפשרויות של תקשורת למערכת הבקרה. זה מאפשר שליטה על פרמטרים של החיישנים, העברת תוצאות החישה בצורה דיגיטלית וחיסכון בחיווט. בין הפרוטוקולים הנפוצים: IO-Link, Ethernet/IP, CC-Link, DeviceNet, EtherCat, RS-232 ועוד.

יישומים נפוצים לחיישנים פוטואלקטריים

הוורסטיליות של החיישנים הפוטואלקטריים הופכת אותם למתאימים למגוון רחב של יישומים במגוון רחב של תעשיות. כמה מהיישומים הנפוצים ביותר כוללים:

1. זיהוי וספירת עצמים: חיישני הפוטואלקטריים משמשים בקווי ייצור לזהות נוכחות של עצמים, לאמת מיקום מוצר ולספור פריטים במהלך תהליך היצור.
2. אריזה ותוויות: בתעשיית האריזה, חיישנים פוטואלקטריים משמשים לזיהוי מדוייק של מיקום תוויות, חותמות וחומרי אריזה. הם תורמים לשמירה על איכות ואחידות האריזה ולהגברת יעילות הייצור.
3. מערכות בתחום הסמיקונדקטור: בתעשיית הסמיקון, משתמשים בחיישנים פוטואלקטריים לזיהוי וויפרים, זיהוי אובייקטים שקופים, זיהוי מעגלים מודפסים ועוד.
4. תעשיית הדפוס: בתעשיית הדפוס משתמשים בחיישנים פוטואלקטריים למשימות של זיהוי חלקים מכאניים, זיהוי הנייר, או לזיהוי של סימון על גבי הנייר כדי לדעת מתי ואיפה להדפיס (Eye-Mark). כמו כן, משתמשים בחיישן מדידת צבע לבקרה ושמירה של הגוון המודפס לאורך זמן.
5. מסועים: חיישנים פוטואלקטריים משמשים תפקיד חשוב במסועים (Conveyer Systems), על ידי זיהוי נוכחות של החלקים במסוע והפעלת מנגנוני מיון או במניעת התנגשויות בין החלקים.
6. ביטחון ושמירה: חיישנים פוטואלקטריים משמשים במערכות אבטחה ושמירה לצורך זיהוי תנועה, למעקב אחרי תנועה באיזורים קריטיים ולזיהוי פריצות.
7. ציוד רפואי: בתחום הרפואה, חיישנים פוטואלקטריים מובנים במכשירים רפואיים וציוד טכנולוגי למשימות כגון זיהוי קרבה, רמות נוזלים ומעקב אחר חולים.
8. אוטומציה ביתית: חיישנים פוטואלקטריים משמשים במערכות בית חכם ליישומים כגון זיהוי תנועה או זיהוי אור לקבלת החלטות אוטומטיות.

חסרונות של חיישנים פוטואלקטריים

לחיישנים הפוטואלקטרים  יתרונות רבים, אך כמו כל טכנולוגיה, ישנם גם חסרונות שצריך לשקול בעת השימוש בהם. לדוגמה:

1. תחזוקה ואחזקה: חיישני פוטואלקטרים דורשים תחזוקה מעטה כדי לשמור על פעולתם תקינה, אך הם עשויים להיחסם כתוצאה מאבק, לכלוך או נזק מכני, ולכן נדרשת תחזוקה, כדי לשמור על ביצועים אופטימליים.
2. חשיפה לאור סביבתי: בסביבות עבודה עם תאורה חזקה, יתכן וחיישנים פוטואלקטרים יהיו רגישים לאור סביבתי. חוסר זיהוי, או זיהוי שווא עשוי לקרות בגלל אור חזק שאינו תלוי בתהליך המדידה המתוכנן.
3. תנאי סביבה מוגבלים: חיישנים פוטואלקטרים יכולים להיפגם במצבים בתנאי סביבה קיצוניים, כגון טמפרטורות גבוהות או נמוכות מדי, לחות גבוהה או חומציות.
4. הגבלה בזיהוי חומרים: לחיישנים פוטואלקטרים קיים קושי בזיהוי חומרים שאינם מחזירים או חוסמים את האור בצורה משמעותית.

למרבה המזל, במקרים בהם חיישן פוטואלקטרי אינו מתאים, חיישנים בטכנולוגיות אחרות, כגון בטכנולוגיות אולטראסאונד, גלי רדיו, אינדוקציה ועוד טכנולוגיות אחרות, עשויים להתאים.

סיכום

למרות שחיישנים אופטיים הינו מוצר נפוץ היום ונראה לכאורה שדי פשוט לבחור אותו, יש שיקולים רבים שיש לקחת בחשבון בבחירת החיישן, או הסנסור המתאים. כדאי לקבל ייעוץ בבחירת הדגם והטכנולוגיה המתאימים ליישום. נשמח לעמוד לרשותכם.
https://www.medital.co.il/collections/sensors

נכתב על ידי:

עוז מעיין

מנכ"ל מדיטל ויז'ן בע"מ.