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光学式近接センサー検出距離

発光素子パワー、受光素子感度、ターゲット反射率から光学式近接センサーの検出距離を推定します。

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公式

D_rel = √(P_e × R_d × (R_t/100)) / SF [dimensionless relative factor]

P_e — Emitter power (mW)
R_d — Detector responsivity (A/W)
R_t — Target reflectivity (0–100%) (%)
SF — Safety factor (≥1)

仕組み

光学式近接センサーは、LEDエミッターから光（通常は850〜950 nmの赤外線）を放射し、フォトダイオードまたはフォトトランジスタ検出器で反射光または透過光を検出します。受信した光パワーは、P_Received P_Emitter × R_Target/d² という逆二乗の法則に従います。ここで、d はターゲットまでの距離、R_Target は反射率 (0—1) です。拡散反射型センサーでは、受信電力が検出器のしきい値 (P_Received > P_Threshold) を超えたときに検出が行われます。したがって、検出範囲は √ (P_エミッター × R_Det × R_Target) に比例します。ここで、R_det は検出器の応答性 (A/W) です。実用範囲の見積もりには、レンズの汚れ、LED の経年劣化 (生涯にわたって -30 ～ 50%)、およびターゲット表面の変化を考慮した安全係数 (通常は 1.5 ～ 2 倍) が含まれます。背景抑制センサーは三角測量を使用して検出ウィンドウを固定し、ターゲットの色や反射率の変動の影響を受けません。

計算例

問題: 赤外線LEDは15mWを放射します。ディテクタの感度は 0.65 A/W で、目標はホワイトペーパー (反射率 90%) です。安全率 = 2。検出範囲を推定します。
解決策:
1。正規化範囲 = √ (p_e × R_d × R_t) = √ (15 × 0.65 × 0.9) = √ (8.775) = 2.96 cm
2.最大検出範囲 = 2.96/ 2 = 1.48 cm ≈1.5 cm
3.ターゲットがブラックラバー (反射率 5%) の場合:
ノーマライズ = √ (15 × 0.65 × 0.05) = √ (0.4875) = 0.70 cm
最大範囲 = 0.70/2 = 0.35 cm
結果: 約 1.5 cm で白い紙が検出され、約 0.35 cm で黒いゴムが検出されました。検出範囲は 4 倍に減少しました。

実践的なヒント

  • ✓同期検出器を備えたパルス（変調）エミッタを使用すると、DCバイアスシステムと比較して100〜1000倍優れた環境光除去を実現できます。
  • ✓単純な存在検出ではなく正確な距離測定には、単純な反射センサーの代わりに三角測量センサー（Sharp GP2Y0A02など）または飛行時間センサー（VL53L1Xなど）を使用してください。
  • ✓エミッタとディテクタをわずかな角度 (5～15°) で取り付けると反射距離が近くなり、感度が向上し、近距離での直接のクロスカップリングが減少します。

よくある間違い

  • ✗すべてのターゲットで最大定格範囲が達成可能であると仮定すると、メーカーのレンジ仕様は標準の白色リフレクター（反射率90％）用ですが、暗いターゲットまたは吸収ターゲットは範囲を大幅に狭めます。
  • ✗LEDの経年劣化を無視 — IR LEDの放射強度は、定格寿命にわたって30～ 50% 低下します。安全係数は、初期出力だけでなく、耐用年数終了時の性能を考慮する必要があります。
  • ✗環境光の干渉を見逃すこと — 明るい白熱灯や太陽光は検出器を飽和させ、検出漏れの原因となります。DC 環境光を除去するには、光学フィルターとパルス変調を備えたセンサーを選択してください。

よくある質問

拡散センサーは、エミッターとディテクターが同じハウジング内にあり、ターゲットからの反射光を検出します。範囲はターゲットの反射率によって異なります。再帰反射型センサーは、コーナーキューブリフレクターから反射された光を検出するため、検出範囲が広く、ターゲットに依存しません。スルービームセンサーは、エミッターとディテクターを向かい合わせに配置します。検出はビームの中断によるもので、検出範囲が最も長く、最も信頼性が高いですが、両側に配線する必要があります。
反射率は大きく異なります。白いつや消し表面は80〜95％、灰色のプラスチックは40〜60％、裸のアルミニウムは65〜75％（鏡面）、黒いゴムは3〜8％です。範囲は √ (反射率) にスケーリングされるため、反射率が 10 倍低いターゲットの場合、検出範囲は √10 ≈3.2倍減少します。必ず実際のターゲット材質と色で確認してください。
はい。ただし、エミッターの波長（850 nm、940 nmなど）に合わせた変調エミッターとバンドパス光学フィルターが必要です。同期検出器は、変調された信号を通過させている間、DC 環境光を除去します。製造元の環境光耐性の仕様を確認してください。産業用センサーの標準定格は周囲光量が 10,000 ルクスです。

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