Einführung in optische Sensoren

Alle optischen Sensoren verfügen über dieselben Grundbauteile:

  • Gehäuse - verschiedenen Formen, Größen und Baumaterialien
  • Grundlegendes Sensorelement - variiert je nach Technologie, enthält jedoch immer ein Linsensystem
  • Elektronik - bewertet das, was ein Sensor erfasst
  • Stromanschluss - Strom- und Signalversorgung

Um optische Sensoren bestmöglich zu verwenden, ist es hilfreich, das elektromagnetische Strahlungsspektrum zu verstehen. Optische Sensoren von ifm arbeiten im sichtbaren (primär roten) und infraroten Frequenzbereich.

Sichtbares Rotlicht
ist die beste "derzeit verfügbare" Lichtart und wird für die meisten Applikationen empfohlen. Die meisten Sensoren von ifm verwenden sichtbares Rotlicht.
Vorteil Nachteil

Leicht zu erkennen auf kurzen Tastweiten, erleichtert die Inbetriebnahme

Farbabhängig bei langen Tastweiten

Infrarotlicht
Vorteile Nachteil

Farbunabhängig über den Großteil der Tastweite

Gute Wahl für schmutzige Umgebungen - verfügt über die Fähigkeit, durch Staub, Nebel, Dampf usw. zu dringen.

Unsichtbar für das menschliche Auge, was die Einrichtung erschwert

Laserlicht
Vorteile Nachteile

Fähigkeit zur Erfassung von kleinen Objekten bei langen Tastweiten

Kleiner Lichtfleck ermöglicht exakte Schaltpunkte

Heller roter sichtbarer Lichtstrahl kann als Einrichthilfe verwendet werden

Laser LEDs sind im Allgemeinen kostspieliger als standardmäßige sichtbare LEDs mit Rotlicht oder Infrarotlicht

Terminologie

Moduliertes Licht – Das durch den Sender übertragene Licht wird mit einer Frequenz gepulst, die für jede Sensorfamilie eindeutig ist. Der Empfänger ist so eingestellt, dass er das auf dieser Frequenz modulierte Licht erfasst und das Umgebungslicht von anderen Quellen ignoriert.

Schaltfrequenz – maximale Geschwindigkeit, bei der ein Sensor einzelne Impulse liefert, sobald das Objekt sich in den Erfassungsbereich bewegt und diesen verlässt.Einfach gesagt gibt dies an, wie schnell der Sensor beim Durchlaufen eines Objekts ein- und ausschalten kann.

Kontrast – der Farb- und Helligkeitsunterschied zwischen zwei Objekten. Weiß ist hierbei die am leichtesten und schwarz die am schwierigsten zu erfassende Farbe.

Lichtfleck – der Durchmesser des übertragenen Lichts bei einem gegebenen Abstand. Dieses Maß wird im Allgemeinen auf Datenblättern bei maximaler Tastweite angegeben und es ist eine Funktion des Sender-Öffnungswinkels.

Wirksamer Strahl – der Bereich des Lichtstrahls, der vollständig unterbrochen werden muss, damit der Sensorausgang schaltet.Sensoren, die schalten, wenn der Lichtstrahl unterbrochen wird, (d.h. durch Einweglichtschranken und polarisierte Reflexlichtschranken) verfügen über wirksame Strahlen.Sensoren, die das Licht direkt vom Objekt reflektieren lassen (d.h., Reflexlichttaster) verfügen über keine wirksamen Strahlen.

Hellschaltung – der Ausgang ändert seinen Zustand, sobald der Empfänger Licht erfasst.

Dunkelschaltung – der Ausgang ändert seinen Zustand, sobald der Empfänger kein Licht erfasst.

Betriebsreserve – das Verhältnis der tatsächlich vom Sensor empfangenen Lichtenergie und der erforderlichen Lichtenergie, um den Ausgangszustand zu ändern.Ein Betriebswert von 1 ist mindestens erforderlich, um den Ausgang zu schalten.Alles über diesem Grenzwert wird als Betriebsreserve betrachtet.Er dient zur Bestimmung der ordnungsgemäßen Funktion des Sensors in kontaminierten Bereichen.

Erforderliche maximale Betriebsreserve Betriebsumgebung
1.5X Reinluft: Keine Schmutzansammlung auf Linsen oder Reflektoren:
5X Leichte Verschmutzung. Leichte Ansammlung von Staub, Schmutz, Öl, Feuchtigkeit usw. auf Linsen und Reflektoren; Linsen werden regelmäßig gereinigt.
10X Mäßige Verschmutzung: Offensichtliche Verschmutzung der Linsen und Reflektoren, jedoch nicht verdeckt; die Linsen werden gelegentlich oder nach Bedarf gereinigt.
50X Starke Verschmutzung: Starke Verunreinigung der Linsen; starke Verschleierung, Vernebelung, Staub-, Rauch- oder Ölfilm, minimale Reinigung der Linsen

Einweglichtschranken

Auch als Einweglichtschranke/Einweglichtschrankenpaar bekannt.Sender und Empfänger sind in getrennten Gehäusen untergebracht und werden gegenüberliegend montiert.Das Licht wird von der Senderlinse aus gesendet und von der Empfängerlinse aufgenommen.

Der Ausgang ändert seinen Zustand, sobald der Lichtstrahl vom Objekt unterbrochen wird und der Empfänger kein Licht empfängt.Solange das Objekt groß und dicht genug ist, um den wirksamen Strahl zu unterbrechen, wird die Applikation durch Farbe, Form, Winkel, Reflexion und Oberflächenbeschaffenheit nicht beeinträchtigt.Dadurch sind sie zuverlässiger als Reflexlichttaster, die von Lichtreflexionen des Objekts abhängig sind.

Vorteile Nachteile
  • Große Tastweite
  • Hohe Betriebsreserve (optimale Wahl bei verschmutzter Umgebung)
  • Gleichmäßiger wirksamer Strahl über den gesamten Bereich
  • Zuverlässige Erfassung lichtundurchlässiger Objekte
  • Keine "Blindzone" entlang der gesamten Tastweite
  • Sender und Empfänger verfügen über separate Gehäuse und demzufolge über separate Teilenummern
  • Beide Gehäuse müssen montiert und verkabelt werden, was zusätzliche Installationskosten nach sich zieht
  • Aufgrund ihrer hohen Betriebsreserve, lassen sich transparente und semi-transparente Objekte mit Einweglichtschranken durchleuchten

Der wirksame Strahl hat einen einheitlichen Durchmesser der ungefähr dem Durchmesser der Sender- und Empfängerlinsen entspricht.Solange das Objekt mindestens so groß wie der wirksame Strahl ist, wird der Ausgang geschaltet, sobald der Strahl durch das Objekt unterbrochen wird.

Ausgänge für ein Einweglichtschrankenpaar:

  • Die Ausgänge für Hellschaltung werden aktiviert, wenn das Objekt nicht anliegt.
  • Die Ausgänge für Dunkelschaltung werden aktiviert, wenn das Objekt anliegt.

Montageüberlegungen

Bei der Installation von mehreren Einweglichtschrankenpaaren ist sicherzustellen, dass ein Sensor der anderen Empfänger vom übertragenen Lichtstrahl nicht beeinträchtigt wird.Eine einfache Lösung hierfür besteht darin, die Sender und Empfänger wie dargestellt auszutauschen.

Ein stark reflektierendes Objekt, welches sich durch einen Strahl bewegt, kann Licht auf einen nicht zugehörigen Empfänger reflektieren und dadurch ein Fehlsignal auslösen.Eine einfache Lösung besteht darin, die Schranken zwischen den Sensoren zu platzieren, um sämtliche Streureflexionen zu blockieren.

Weil das Sonnenlicht dieselben Lichtwellenlängen aufweist wie optische Sender, können die Empfänger durch sehr helles Umgebungslicht häufig beeinträchtigt werden.Dies lässt sich gewöhnlich dann beobachten, wenn optische Sensoren für Garagentüröffner im Heimbereich verwendet werden, bei denen die Sonnenstrahlen bei einem bestimmten Lichteinfallswinkel den Türbetrieb stören.Dieses Problem lässt sich durch eine Winkelverstellung der Sensoren, durch Hinzufügen einer Schranke oder durch einen Austausch von Sender und Empfänger lösen.

Polarisierte Reflexlichtschranken

Sender und Empfänger sind im selben Gehäuse untergebracht und werden gegenüber einem Reflektor montiert.Licht wird von der Senderlinse ausgestrahlt, prallt vom Reflektor ab und wird zur Reflektorlinse zurückreflektiert.

Wie bei Einweglichtschranken ändert der Ausgang seinen Zustand, sobald der Lichtstrahl vom Objekt unterbrochen wird und der Empfänger kein Licht empfängt.Solange das Objekt groß und dicht genug ist, um den wirksamen Strahl zu unterbrechen, wird die Applikation durch Farbe, Form, Winkel, Reflexion und Oberflächenbeschaffenheit nicht beeinträchtigt.Dadurch sind sie zuverlässiger als Reflexlichttaster, die von Lichtreflexionen des Objekts abhängig sind.

Vorteile Nachteile
  • Mittlere Tastweite, weil der Weg des Strahls doppelt so lang ist wie der der entsprechenden Einweglichtschranke
  • Geringere Anschaffungs- und Montagekosten durch ein Gehäuse
  • Zuverlässige Erfassung von glänzenden Objekten durch eingebaute Polarisationsfilter
  • Problemloser Einbau des Reflektors
  • Zuverlässige Erfassung von lichtundurchlässigen und nicht-transparenten Objekten
  • Keine "Blindzone" entlang der gesamten Tastweite
  • Geringe Betriebsreserve, sogar geringer als bei Reflexlichttastern aufgrund der Energieverluste des Reflektors
  • Unzuverlässige Erfassung von transparenten Objekten, sofern keine besonders "klare Objektmodelle" verwendet werden
  • Uneinheitlicher Durchmesser des wirksamen Strahls

Der wirksame Strahl polarisierter Reflexlichtschranken ist konusförmig. In der Nähe des Sensors hat der Strahl ungefähr die Größe der Senderlinse.In der Nähe des Reflektors hat er die Größe des Reflektors.Dies bedeutet, dass kleinere Objekte erfasst werden können, wenn sie sich in der Nähe des Sensor befinden, nicht unbedingt jedoch in der Nähe des Empfängers.

Ausgänge für polarisierte Reflexlichtschranken:

  • Die Ausgänge für Hellschaltung werden aktiviert, wenn das Objekt nicht anliegt.
  • Die Ausgänge für Dunkelschaltung werden aktiviert, wenn das Objekt anliegt.

Prismatische Reflektoren sind für polarisierte Reflexlichtschranken erforderlich.Aufgrund ihres Designs drehen diese Reflektoren den ankommenden Lichtstrahl um 90 Grad. Die Sensoren sind mit polarisierenden Filtern über den Linsen ausgestattet, so dass die Lichtwellen sich nur in eine Richtung bewegen. Durch den Reflektor werden die Lichtwellen gedreht und passen sich so der Ausrichtung des Filters auf dem Empfänger an.

Glänzende Objekte können hochintensives Licht auf den Sensor zurückreflektieren, da das Licht jedoch nicht richtig ausgerichtet ist, verursachen glänzende Objekte kein Fehlsignal.

Reflexlichttaster

Sender und Empfänger sind in einem Reflexlichttaster im selben Gehäuse untergebracht. Das gesendete Licht wird vom Objekt zum Reflektor zurück reflektiert und vom Empfänger ausgewertet.Hierbei müssen die Eigenschaften des Objekts und der Hintergrund hinter dem Objekt bei der Auswahl der richtigen Lösung für eine Applikation sorgfältig berücksichtigt werden.Reflexlichttaster verfügen über sehr viel geringere Betriebsreserve als Einweglichtschrankenpaare, in der Regel jedoch über eine höhere Betriebsreserve als polarisierte Reflexlichtschranken.

Reflexlichttaster verfügen über eine sehr hohe Sensitivität.2% der übertragenen Lichtenergie, die vom Objekt reflektiert wird, sind ausreichend, um ein Umschalten des Ausgangs zu bewirken.

Vorteile Nachteile
  • Direktes Erfassen von Objekten ohne dass ein Reflektor oder ein zweites Gehäuse erforderlich sind
  • Geringere Anschaffungs- und Montagekosten als bei Einweglichtschranken und polarisierten Reflexlichtschranken
  • Kurze Tastweite
  • Stark abhängig von den Objekteigenschaften wie beispielsweise Farbe, Struktur, Größe und Form
  • Eine zuverlässige Erfassung kann durch einen reflektierenden oder sehr nahen Hintergrund verhindert werden
  • Falsche Auslösungen in einem größeren Abstand als der angegebenen Tastweite können durch einen hochreflektierenden Hintergrund wie beispielsweise einem Fensterglas oder einer Reflexfolie an Bekleidungsstücken verursacht werden

Objekteinflüsse:

Größere Objekte reflektieren mehr Licht, was zu einer größeren Tastweite führt.

Mit Sensoren mit sichtbarem Rotlicht lassen sich hellere Farben mit einer größeren Tastweite erfassen als dunklere Farben.Die Objektfarbe hat eine viel geringere Auswirkung auf Infrarotsensoren.Glänzende Oberflächen lassen sich mit einer größeren Tastweite erfassen als matte Oberflächen.

Glatte Oberflächen haben ein besseres Reflexionsvermögen als raue Oberflächen.Eine glattes blaues Objekt aus Kunststoff reflektiert beispielsweise mehr Licht als ein blaues Objekt aus Samt.

Flache lotrecht zum Sensor liegende Objekte reflektieren mehr Licht als flache in einem Winkel anliegende Objekte.Ferner neigen nicht flache Objekte dazu, das Licht vom Sensor wegzulenken, was zu einem Energieverlust und zu einer geringeren Tastweite führt.

Hintergrundstörung
Ein Reflexlichttaster erfasst das gesamte zum Empfänger reflektierte Licht ungeachtet der Lichtquelle.Das vom Hintergrund reflektierte Licht scheint dasselbe Licht wie das vom Objekt reflektierte Licht zu sein; dies ist besonders störend, wenn der Hintergrund stärker reflektiert als das Objekt und wenn das Objekt und der Hintergrund sehr nahe zusammen liegen.

Um die Erfassung des Hintergrunds zu reduzieren:

  1. ist dieser mit einem dunklen, einheitlichen Farbanstrich zu versehen.
  2. ist der Winkel des Sensors bezogen auf den Hintergrund zu verändern.
  3. ist die Sensitivität des Sensors zu verringern, um den Hintergrund "auszublenden".
  4. ist ein Reflexlichttaster mit eingebauter Hintergrundausblendung zu verwenden.

Sensoren mit Hintergrundausblendung

Bei diesen Sensoren handelt es sich um speziell konstruierte Reflexlichttaster, die Fehlauslösungen auf dem Hintergrund hinter dem Objekt verhindern.Hintergründe lassen sich mit verschiedenen Technologien ausblenden, wie beispielsweise: Fest eingestellte Tast- und Reichweiten, Triangulationsprinzip, Diodenzeile, PMD Time-of-Flight{

Vorteile Nachteile
  • Keine Hintergrundstörung
  • Direktes Erfassen des Objekts ohne Reflektor oder zusätzliches Gehäuse
  • Geringere Anschaffungs- und Montagekosten als bei Einweglichtschranken und polarisierten Reflexlichtschranken
  • Farbunabhängige Versionen für Anwendungen mit kurzen Tastweiten verfügbar
  • Geringere Tastweite als bei standardmäßigen Reflexlichttastern
  • Kostspieliger als standardmäßige Reflexlichttaster
  • Kurze Tastweite
  • Stark abhängig von den Objekteigenschaften wie beispielsweise Farbe, Struktur, Größe und Form
  • Nahe an der Sensoroberfläche kann eine "Blindzone" vorliegen

Fest eingestellte Tast- und Reichweiten
Die Position der Sender- und Empfängerlinsen ist abgewinkelt und bildet einen Erfassungsbereich.Bei Objekten innerhalb des Erfassungsbereichs wird das Licht in die Empfängerlinse reflektiert und erfasst.Objekte außerhalb des Erfassungsbereichs (entweder zu nahe oder zu weit) haben keine korrekte Geometrie, um das Licht zum Empfänger zu reflektieren.Diese Verfahren wird im Allgemeinen für kurze Tastweiten verwendet und lässt sich nicht anpassen.

Triangulationsverfahren
Bei dieser Technologie werden zwei Empfänger zur Hintergrundausblendung verwendet.Unter Verwendung eines Potentiometers zu Einstellungszwecken wird ein Spiegel mechanisch positioniert, um den Punkt zu bestimmen, an dem ein Empfänger das Objekt und der andere Empfänger den Hintergrund erfasst.Der Sensor wird dann auf halber Strecke zwischen diesen beiden Punkten eingestellt.Der Sensor misst den Winkel des empfangenen Lichts, um zu bestimmen, ob das Licht von dem Objekt oder dem Hintergrund reflektiert wird.

Diodenzeile
Diese Methode ist vergleichbar mit dem Triangulationsprinzip mit der Ausnahme, dass es sich bei den Empfängern um eine 63-Diodenzeile handelt.Die zusätzlichen Empfänger ermöglichen eine exakte Hintergrundausblendung (d.h., das Objekt und der Hintergrund können sehr nahe beieinander liegen).Diodenzeilensensoren sind mit einem Mikroprozessor ausgestattet und werden elektronisch per Tastendruck programmiert.

PMD Time-of-Flight
PMD (Photonic Mixer Device) bestimmt den Abstand zwischen dem Sensor und dem Objekt (sowie dem Sensor und dem Hintergrund) durch Messung der Zeit, die das Licht benötigt, um vom Sensor zum Objekt und wieder zurück zu gelangen.

Ein modulierter Laserstrahl wird von einer Laserdiode erzeugt.Das vom Objekt reflektierte Licht wird über eine Linse auf einen photosensitiven Chip (PMD Smart Pixel) geleitet.Der Chip vergleicht dann die ankommenden Lichtwellen und ermittelt so den Abstand des Objekts.

Diagram of sensor using time of flight technology

Lichtwellen breiten sich von der Laserlichtquelle aus. Sobald das Licht vom Objekt reflektiert wird, verschiebt sich das Phasenmuster direkt proportional zum Abstand.

Die anwendereigene Technologie bietet:

  • Robuste Erfassung kleiner reflektierenden Objekte
  • Rasche Installation aufgrund der Farb- und Winkelunabhängigkeit
  • Gemessene Abstandsangaben per IO-Link

Diese Technologie wird von allen ODG, O1D, O5D und OID Laser-Abstandssensoren von ifm verwendet.