Il ruolo dei catarifrangenti nella tecnologia dei sensori
I catarifrangenti vengono utilizzati nell’ambito della tecnologia dei sensori per un funzionamento affidabile e sicuro delle barriere catarifrangenti. Nella maggior parte dei casi si tratta di retroriflettori costituiti da una serie di specchi con tripla superficie riflettente. La superficie riflettente è generalmente integrata in una custodia e viene protetta dagli influssi ambientali con una lastra. Una particolarità dei cosiddetti retroriflettori consiste nel fatto che, grazie alle strutture tridimensionali a specchio triplo, la luce viene quasi completamente riflessa in direzione della sorgente luminosa. Oltre ai catarifrangenti, viene utilizzata anche la pellicola riflettente, che è un catarifrangente in forma di pellicola ed è quindi flessibile e spesso autoadesivo. La superficie riflettente è realizzata sotto uno strato di copertura trasparente che la protegge dagli influssi ambientali.
Tipi di riflessioni esistenti
Si distinguono tre tipi di riflessione della luce. Questi variano in funzione della natura delle superfici colpite dal fascio luminoso.
Riflessione diffusa
La riflessione diffusa, detta anche diffusione, si verifica su superfici ruvide e irregolari. I fasci di luce vengono riflessi in modo irregolare in tutte le direzioni. Solo una piccola parte della luce viene riflessa in direzione della sorgente.
Riflessione speculare
Si tratta della riflessione regolare che si verifica su superfici lucide e lisce come uno specchio. Il fascio di luce incidente viene riflesso secondo la legge della riflessione (l’angolo di incidenza corrisponde all’angolo di riflessione).
Retroriflessione
Nel caso della retroriflessione, il fascio di luce viene riflesso nella direzione di provenienza. Questo tipo di riflessione viene generalmente utilizzato per barriere catarifrangenti e in combinazione con sensori a tempo di volo.
Funzionamento di un retroriflettore
Un retroriflettore è un catarifrangente che riflette la luce incidente nella direzione di incidenza, cioè verso la sorgente luminosa, indipendentemente dall’angolo di incidenza. La superficie irradiata (struttura del riflettore) presenta una struttura squadrata particolarmente sottile costituita da una serie di minuscoli specchi tripli.
Il principio del riflettore triplo
In un riflettore triplo, sono presenti tre superfici speculari che risultano perpendicolari tra loro e formano l’angolo interno di un cubo, denominato anche “corner cube”. Il fascio di luce colpisce la prima superficie planare dello specchio e viene riflesso su una superficie riflettente adiacente della struttura tripla (riflessione speculare) secondo la legge della riflessione. Successivamente il fascio di luce viene riflesso secondo lo stesso principio sulle altre due superfici riflettenti adiacenti. Con un leggero offset del fascio (rispetto al fascio incidente), il fascio di luce viene deviato all’indietro parallelamente alla sorgente luminosa. Questo tipo di riflessione si chiama retroriflessione.
Funzionamento di una barriera catarifrangente con catarifrangente o pellicola riflettente
Il principio di funzionamento della barriera catarifrangente con retroriflettore si basa sulla polarizzazione e sul polarizzatore.
Polarizzazione
Un fascio di luce può essere considerato un’onda elettrometrica. Le onde luminose oscillano in diverse direzioni verticali e orizzontali. La polarizzazione della luce descrive la direzione di oscillazione. Se la luce non presenta una direzione preferenziale, viene denominata luce non polarizzata.
Un fascio di luce può essere considerato un’onda elettrometrica. Le onde luminose oscillano in diverse direzioni verticali e orizzontali. La polarizzazione della luce descrive la direzione di oscillazione. Se la luce non presenta una direzione preferenziale, viene denominata luce non polarizzata.
Polarizzatore lineare
Un polarizzatore lineare è un filtro che trasmette la luce in una direzione di oscillazione definita (per esempio polarizzata verticalmente), mentre la luce nella direzione di oscillazione non viene trasmessa ortogonalmente. La luce trasmessa è polarizzata linearmente in base all’orientamento del polarizzatore.
Un polarizzatore lineare è un filtro che trasmette la luce in una direzione di oscillazione definita (per esempio polarizzata verticalmente), mentre la luce nella direzione di oscillazione non viene trasmessa ortogonalmente. La luce trasmessa è polarizzata linearmente in base all’orientamento del polarizzatore.
Funzionamento di una barriera catarifrangente con catarifrangente
Il principio di funzionamento di una barriera catarifrangente sfrutta le caratteristiche del polarizzatore in combinazione con le proprietà ottiche del retroriflettore.
- Un sensore con polarizzatore integrato emette luce nella direzione verticale dell’oscillazione.
- La luce colpisce un retroriflettore con struttura a specchio triplo. Il fascio di luce viene riflesso sui tre lati dello specchio e la polarizzazione della luce viene ruotata in una certa misura dalla direzione verticale a quella orizzontale.
- Sul lato ricevitore del sensore è installato un filtro di polarizzazione orizzontale. Attraverso il filtro di polarizzazione, la luce viene trasmessa con polarizzazione orizzontale (proveniente dal riflettore) all’elemento di ricezione all’interno del sensore.
- Se a questo punto un oggetto viene interposto nel percorso ottico tra il sensore e il catarifrangente, il segnale sul lato ricevitore viene attenuato e l’oggetto viene rilevato. Sfruttando la polarizzazione della luce, una barriera catarifrangente funziona anche con gli oggetti lucidi. A differenza del retroriflettore, in questo caso la direzione della polarizzazione non viene ruotata.
Nella scelta del catarifrangente questo aspetto deve preso in considerazione
Nella scelta del catarifrangente è necessario tenere conto di numerosi fattori. Si tratta di un’interazione tra la struttura del catarifrangente, il tipo di luce, la portata e l’ottica del sensore (ottica monolente e ottica a due lenti). Anche la dimensione del catarifrangente deve essere presa in considerazione al momento della decisione. Inoltre, le condizioni ambientali a cui è esposto un catarifrangente giocano un ruolo importante nella scelta del catarifrangente e della pellicola riflettente adatti.
La struttura descrive, in caso di catarifrangenti e pellicole riflettenti, la forma degli elementi (tripletta, angoli cubici) sulla superficie riflettente. Questi possono presentare strutture triple di varie dimensioni. Dalle strutture continue estremamente piccole, alle strutture triple nell'ordine dei micrometri (microstruttura) fino alle strutture macroscopiche triple (macrostruttura) o a nido d’ape.
Per molte applicazioni è importante che la luce dell’emettitore colpisca il maggior numero possibile di strutture triple del catarifrangente, in modo da poter retroriflettere la maggior quantità di luce possibile e che il segnale ricevuto risulti stabile. Se, ad esempio, un raggio di luce con un diametro ridotto (ad esempio la luce laser) colpisce alcune triplette, può accadere che il segnale ricevuto non risulti stabile a causa delle vibrazioni nell’applicazione. Questo a sua volta può causare delle interferenze.
Per molte applicazioni è importante che la luce dell’emettitore colpisca il maggior numero possibile di strutture triple del catarifrangente, in modo da poter retroriflettere la maggior quantità di luce possibile e che il segnale ricevuto risulti stabile. Se, ad esempio, un raggio di luce con un diametro ridotto (ad esempio la luce laser) colpisce alcune triplette, può accadere che il segnale ricevuto non risulti stabile a causa delle vibrazioni nell’applicazione. Questo a sua volta può causare delle interferenze.
Questo tipo di luce è adatto per le microstrutture
Un fascio laser possiede generalmente una divergenza molto bassa e un diametro ridotto (fino a meno di un millimetro). Per questo motivo, le strutture triple ridotte con microstruttura o struttura continua sono generalmente la variante di catarifrangente consigliata. Se la luce laser colpisce invece alcune triplette, può accadere che il segnale ricevuto non risulti stabile e il verificarsi di interferenze causate dall’influsso delle vibrazioni nell’applicazione.
Anche per le barriere catarifrangenti per materiali trasparenti si consiglia un catarifrangente con microstruttura, in quanto devono essere rilevate piccole variazioni dell’intensità luminosa.
Anche per le barriere catarifrangenti per materiali trasparenti si consiglia un catarifrangente con microstruttura, in quanto devono essere rilevate piccole variazioni dell’intensità luminosa.
Questo tipo di luce è adatto per le macrostrutture
Per molte applicazioni è importante che la luce dell’emettitore colpisca il maggior numero possibile di strutture triple del catarifrangente, in modo da poter retroriflettere la maggior quantità di luce possibile e che il segnale ricevuto risulti stabile. Una barriera catarifrangente con luce rossa presenta generalmente un diametro del fascio maggiore (diversi cm) e può quindi essere combinata con un catarifrangente dotato di strutture triple più grandi, come la macrostruttura o la struttura a nido d’ape. Il vantaggio di una struttura tripla è il grado di riflessione, in quanto maggiore è la tripletta, superiore è la quantità di luce incidente che viene riflessa dalla superficie e più elevata è la portata ottenibile.
La scelta del catarifrangente è notevolmente influenzata dalla forma del fascio di luce. L’andamento del fascio e la distanza tra il sensore e il catarifrangente rappresentano variabili di influenza rilevanti. Il catarifrangente deve essere quindi scelto in base al diametro del fascio. A distanze elevate, il sensore laser e i catarifrangenti vengono combinati con una macrostruttura, a condizione che il catarifrangente sia posizionato molto indietro rispetto al punto focale (e che il diametro del fascio risulti di conseguenza maggiore).
Fascio di luce divergente
Il diametro di un fascio di luce divergente aumenta nella direzione di propagazione (ad esempio la luce emessa da un diodo luminoso)
Una caratteristica importante di un retroriflettore consiste nel fatto che la maggior quantità di luce possibile viene riflessa in direzione della sorgente luminosa, indipendentemente dalle dimensioni della tripletta. A seconda del tipo di sensore, ci sono effetti che devono essere presi in considerazione durante il posizionamento.
Funzionamento di un’ottica monolente
I sensori con ottica monolente presentano una sola lente, che viene utilizzata sia per l’emettitore che per il ricevitore. Inoltre, si distinguono per una distanza minima molto ridotta tra il sensore e il catarifrangente. Questo risulta possibile in quanto la luce viene riflessa direttamente verso la sorgente luminosa, dove la lente ricevente assorbe la luce riflessa.
Funzionamento di un’ottica a due lenti
Nel caso di un’ottica a due lenti, le lenti dell’emettitore e del ricevitore sono alloggiate separatamente all’interno di una custodia. Per evitare che la luce riflessa colpisca l’emettitore anziché il ricevitore, il sensore e il catarifrangente devono essere sufficientemente distanti l’uno dall’altro. Questo vale in particolare per le applicazioni a corto raggio. In caso di strutture triple con angolo di apertura di ≠ 90° , i raggi di luce vengono riflessi in un angolo interno più ampio, in modo che la luce colpisca il ricevitore. Si tenga presente che, in caso di montaggio di un catarifrangente, è necessario attenersi alle indicazioni riportate nella scheda tecnica, poiché la portata del sensore (catarifrangente di riferimento) con altri catarifrangenti può essere superiore o inferiore. La distanza minima del catarifrangente (limite inferiore della portata) non deve essere confusa con la cosiddetta zona cieca che si riferisce all’oggetto da rilevare.
Posizione del catarifrangente nell’ottica a due lenti
La distanza corretta tra il sensore e il catarifrangente risulta fondamentale per determinare la quantità di luce riflessa dalla sorgente luminosa. Se il catarifrangente viene posizionato troppo vicino al sensore (area gialla), la luce riflessa non colpisce il ricevitore e non viene generato alcun segnale. Se il catarifrangente viene posizionato troppo lontano dal sensore (area rossa), la luce riflessa si rivela troppo debole per emettere un segnale. Se invece il catarifrangente viene posizionato a una distanza adeguata dal sensore (zona verde), è possibile rilevare un oggetto che si trova nell’area grigia, poiché il segnale sul lato ricevitore viene attenuato.
Le dimensioni del catarifrangente devono essere adattate al punto luce del fascio luminoso incidente.
• Maggiori sono le dimensioni del catarifrangente o della pellicola riflettente, tanto più facile risulta l’orientamento del sensore a distanze elevate.
• I catarifrangenti di piccole dimensioni possono essere utilizzati con facilità negli spazi ristretti e ridotti.
• Maggiori sono le dimensioni del catarifrangente o della pellicola riflettente, tanto più facile risulta l’orientamento del sensore a distanze elevate.
• I catarifrangenti di piccole dimensioni possono essere utilizzati con facilità negli spazi ristretti e ridotti.
Se le dimensioni del fascio di luce sono esattamente identiche a quelle del catarifrangente e la distanza tra il sensore e il catarifrangente è elevata, sono sufficienti piccole vibrazioni per allontanare una parte del fascio dal catarifrangente. Questo provoca una variazione dell’intensità del segnale che si verifica anche in caso di oscillazioni della temperatura (ad esempio nell’area di montaggio del sensore o del catarifrangente). Pertanto è opportuno optare per un catarifrangente leggermente più grande rispetto al diametro del fascio.
Opzioni di fissaggio dei catarifrangenti e delle pellicole riflettenti
A seconda dell’applicazione e dell’uso previsto dei catarifrangenti è possibile scegliere tra diverse opzioni di fissaggio.
Fori di fissaggio
Nella custodia del catarifrangente sono integrati fori ad asola o circolari disposti in senso trasversale uno di fronte all’altro o uno accanto all’altro.
Vite
I catarifrangenti rotondi possono essere avvitati direttamente nei fori con la vite metrica inserita nella custodia.
Tappo di fissaggio
I catarifrangenti rotondi con fissaggio a clip mediante un tappo integrato consentono un montaggio semplice nei fori.
Autoadesivo
I catarifrangenti e in particolare le pellicole riflettenti sono dotati di un lato posteriore autoadesivo che può essere incollato su pareti, fianchi di lamiera o altre superfici.
Fattori che influiscono sui catarifrangenti e sulle pellicole riflettenti
Pulizia ad alta pressione, temperature elevate, processi di lavaggio intensivi, urti meccanici e vibrazioni dall’esterno: nell’ambiente industriale i sensori e i catarifrangenti sono spesso sottoposti a condizioni particolari. Per questi casi, wenglor dispone di catarifrangenti robusti e resistenti ai detergenti.
- I catarifrangenti resistenti ai detergenti sono adatti all’impiego in ambienti sottoposti a lavaggio intensivo e possono essere utilizzati con temperature fino a 150 °C.
- Anche i catarifrangenti certificati ECOLAB sono adatti per gli ambienti sottoposti a lavaggio intensivo. I catarifrangenti si distinguono per il colore blu, facilitando l’individuazione dei frammenti all’interno della custodia in caso di danneggiamento.
- Un rivestimento antiappannamento impedisce l’appannamento dei catarifrangenti.
- I catarifrangenti, che presentano un robusto design della custodia, sono realizzati in acciaio inox V4A e dotati di una copertura in vetro sulla superficie riflettente.
