作者：Steven Keeping

　　快速移动输送机广泛应用于工厂自动化，以加速生产并提高效率。但有时，事情可能会出错。一个常见的问题是干扰。一件物品被卡住，然后其他物品很快就会堆积在后面。这不仅不利于吞吐量并损坏输送系统，而且还可能对附近的工人造成危险。

　　激光探测器是消除这些堵塞的一种解决方案。通过将光束照射到传送带上并检测反射，传感器可以检查是否有滞留的物品，并在损坏发生之前停止系统。虽然激光探测器安装和使用简单，但并非万无一失。例如，如果多个物品正在移动，但它们之间没有间隙，系统可能会断定存在堵塞并不必要地停止传送带。

　　最近推出的激光传感器产品通过利用更先进的光学技术和软件算法减少了误报的数量。

　　本文简要介绍了用于堵塞检测的两种类型的光传感器：LED 和激光。然后重点关注飞行时间 (ToF) 激光器，并考虑决定传感器性能的关键因素。本文还介绍了Banner Engineering的真实 ToF 激光传感器，并说明了如何为传送带堵塞检测应用进行设置。

　　什么是激光传感器?

　　激光传感器使用相干光束来检测物体并帮助确定其距离。在没有物体的情况下，光从固定的参考表面反射。然而，如果物体确实穿过光束，光线会以不同的强度和较短的距离反射，从而触发传感器。 LED 传感器还可以利用光来检测物体的存在，并且往往更便宜，但近年来成本差距已经缩小，并且激光传感器在多个方面在技术上更为优越。

　　例如，与 LED 传感器相比，激光类型的感应范围明显更大，检测精度更高。此外，严格控制的激光束在长距离上产生小光斑，即使在反射性差的表面上也能产生良好的反射。例如，这些属性使激光传感器能够检测微小物体，甚至细到细线。另一个优点是激光传感器可以通过孔或狭窄开口检测物体(图 1)。

　　图 1：即使对于反射表面较差的产品，激光传感器也能提供良好的反射。 (图片来源：邦纳工程)

　　激光传感器使用两种技术来确定到被检测物体的距离：三角测量或光束 ToF。三角测量技术使用反射光的角度来确定其与传感器的距离。 ToF 传感器，顾名思义，测量光束传播到物体并返回所需的时间。然后，他们使用已知的光速 (“c”) 使用简单的公式计算到物体的距离： 到物体的距离(以米为单位) (m) = ToF (以秒为单位)/2 xc 以米每秒 (m) 为单位/s)(图 2)。

　　图 2：ToF 技术测量光脉冲传播到物体并返回所需的时间，然后应用一个简单的公式来计算到物体的距离。 (图片来源：邦纳工程)

　　使用三角测量的激光传感器在 100 毫米以内的短距离内更便宜且更精确。 ToF 类型更适合长达 24 m 的长距离检测。输送机堵塞检测应用需要激光传感器在几米范围内运行，因此在本文的其余部分中，仅考虑后一种类型。

　　激光传感器的选择标准

　　虽然激光传感器在技术上优于 LED 设备，但仍需要仔细选择，以确保为特定应用选择最佳传感器。

　　要考虑的关键参数包括：

　　重复性(或再现性)：这是指传感器在相同条件下重复相同测量的可靠性。例如，0.5毫米的重复性意味着同一目标的多次测量都将在±0.5毫米之内。

　　最小物体间隔(MOS)：这是指目标必须与其背景分开才能被传感器可靠地检测到的最小距离。 0.5 毫米的 MOS 意味着传感器可以检测距背景至少 0.5 毫米的物体(图 3)。

　　分辨率：这是传感器可以检测到的最小距离变化的度量。 0.5 毫米的分辨率意味着传感器可以检测小至 0.5 毫米的变化。该规格与最佳情况重复性相同，但它表示为绝对数字而不是公差。

　　准确度：这是实际值与测量值之间的差异。用于评估没有参考目标的未知距离的测量精度。当比较多个传感器的测量值时，此测量非常有用。

　　线性度：当查看已知参考目标的测量相对变化时，这是精度的替代参数。它类似于校准模拟传感器的 4 和 20 毫安 (mA) 点，其中所有距离测量都与示教条件相关。

　　图 3：MOS 是传感器可靠检测到的目标必须与其背景分离的最小距离。 (图片来源：邦纳工程)

　　选择激光传感器首先要使其功能与应用的尺寸特征相匹配。例如，待检测的物体是在厘米远还是几米远。但根据待检测物体的颜色和反射率，还有进一步的选择标准。

　　针对具有挑战性的目标优化激光传感器

　　激光传感器面临的常见挑战包括具有高反射表面的物体以及具有深色或哑光表面的物体。为了应对前者，工程师应选择具有自动增益补偿功能的激光传感器，以便设备降低增益以降低激光强度，从而降低反射光的强度。增益补偿有助于保持精度。当寻找黑暗或反射性差的物体时，返回信号可能非常微弱并且难以检测。解决方案是指定一个激光传感器，该传感器可以自动增加增益以放大反射信号，从而可靠地检测其他传感器可能难以观察到的目标。

　　对于许多应用来说，紧密聚焦的光斑是理想的选择。例如，在目标包含多种颜色的情况下，小光点效果最佳。聚焦点可以仅针对多色产品上的一种颜色，以获得一致且可靠的反射(图 4，顶部)。小光束点还可用于聚焦在异型表面的特定点上。这种关注再次确保了稳健的运行(图 4，底部)。

　　图 4：紧密聚焦的光斑在彩色和异形表面上可靠地工作。 (图片来源：邦纳工程)

　　但选择具有聚焦点的激光传感器并不能解决所有应用的问题。有时，更大、更分散的光点是更好的选择。例如，用大光斑照射粗糙表面可以对反射光进行平均，从而提高测量稳定性(图 5)。

　　图 5：更分散的光斑在粗糙表面上效果更好，因为它往往会平均来自高处和低处区域的反射。 (图片来源：邦纳工程)

　　清除输送机堵塞

　　快速移动的工厂输送机很容易发生堵塞，尤其是在弯道处，货物可能会在弯道出口处迅速堆积。曲线还容易出现假堵塞，因为大量的包裹通常为传统传感器检测堵塞提供的间隙很少(图 6)。

　　图 6：输送机曲线很容易出现错误的堵塞警报，因为大量的包裹流为传统传感器检测缺乏运动提供了很少的间隙。 (图片来源：邦纳工程)

　　针对错误卡纸的常见解决方法通常会导致比其解决的问题更多的问题。典型的方法包括添加延迟计时器，以给予“清除”错误堵塞的时间。虽然这种延迟可以发挥作用，但如果发生更严重的堵塞，响应就会延迟，并且可能会导致设备过度磨损，因为更多的包裹堆积起来并对输送机部件造成压力。此外，堵塞所涉及的力可能会损坏卡在传送带上的货物。最后，严重的拥堵通常是由工作人员在延误期间试图用所谓的拥堵杆清理线路来解决的。这会带来风险，因为工人在大型电动机仍在运行的情况下进入危险区域。

　　错误堵塞很常见：Banner Engineering 援引一位客户的话说，该客户发现使用传统传感方法“检测到”的输送机堵塞中 82% 都是误报。误报不仅会造成损害并危及工作人员的安全，而且还会造成金钱损失。这些费用包括：

　　生产力下降

　　下游进程缺乏工作

　　维护人员浪费时间诊断错误问题

　　输送机系统因不断停止和启动而产生的磨损

　　这一工程挑战的解决方案是激光传感器，它可以最大限度地减少错误的堵塞检测，同时对真正的堵塞做出快速反应。一种选择是Banner Engineering 的Q5X系列 ToF 传感器中的Q5XKLAF10000-Q8 (图 7)。该传感器的工作范围为 50 mm 至 10 m，重复精度为 ±0.5 至 10 mm，MOS 为 1 至 70 mm，分辨率为 1 至 30 mm，线性度为 ±5 至 150 mm，精度为±3至150毫米。该激光传感器还具有自动增益补偿和用户可选择的响应时间(3、5、15、25 或 50 毫秒 (ms))。

　　Q5XKLAF10000-Q8 特别适合输送机应用的其他主要特性包括：

　　内置堵塞检测算法，不依赖间隙来感知包裹流

　　能够检测各种包装类型，包括盒子、瓶子和塑料袋

　　行业标准 M12 连接器

　　多种安装支架

　　图 7：Q5XKLAF10000-Q8 激光传感器是一款紧凑型传送带堵塞检测器，包含内置堵塞检测算法，该算法不依赖间隙来感测目标物体流。 (图片来源：邦纳工程)

　　设置激光光学传感器

　　对于上述输送机曲线应用，Q5X 激光传感器应立即安装在曲线之后，以便最早进行堵塞检测。该设备具有两个输出指示器、一个显示屏和三个按钮。应安装在支架上，以确保最佳的检测可靠性和MOS性能。建议的方向如图 8 所示。然后连接激光传感器，如图 9 所示。

　　图 8：Q5XKLAF10000-Q8 激光传感器在与目标物体流成 90° 安装时效果最佳。 (图片来源：邦纳工程)

　　图 9：激光传感器的电气和信号连接通过标准 M12 连接器进行。该图显示了 0 至 10 伏模拟系统的设置。 (图片来源：邦纳工程)

　　一旦定向并通电，激光传感器必须被引入到其参考表面。这是传送带或其他固定装置的一部分，当没有物体通过传感器光束时会反射光。最佳参考面的选择对于激光传感器的整体性能至关重要。该表面必须具有哑光或漫射表面光洁度，无油、无水或灰尘，具有永久位置，并且无振动。表面也应在 200 毫米和最大感应范围之间。待检测的物体应尽可能靠近传感器并尽可能远离参考表面。

　　Q5X 激光传感器使用按钮和显示屏进行编程。编程是通过访问菜单并输入功能参数值来实现的。例如，一个关键参数是“双模式”;该模式记录从参考表面接收到的距离和光量。然后，当感知距离或返回光量发生变化时，传感器会记录在传感器和参考表面之间经过的物体。

　　另一个需要编程的重要参数是“果酱回射”。这是双模式的扩展，可优化存在背景时的卡纸检测。设置独立的堵塞范围值，该值定义了符合“未堵塞”资格所需的最小对象移动，该值与自动确定的强度阈值相结合，确定对象正在移动。当不存在背景时，有一个类似的“示教”模式用于优化卡纸检测。

　　结论

　　保持工厂自动化输送机正常运转对于保持生产力和确保工人安全非常重要。但即使在最好的生产线上，也会发生堵塞。然而，用于检测这些堵塞的传统方法经常会触发误报。如图所示，Banner Engineering 等公司的最新一代激光传感器具有可最大限度减少错误检测的先进功能，并且相对易于安装和编程以获得最佳性能。