Fotoelektrischer Sensor (2022)

Optische Sensoren sind berührungslose Sensoren, die sichtbares oder Infrarotlicht verwenden, um Objekte zu erkennen. Sie emittieren Lichtstrahlen und beobachten den Strahl auf Unterbrechungen oder Veränderungen, um das Vorhandensein von Fremdkörpern im Lichtweg zu erkennen.

Dieser Artikel soll Ihnen ein allgemeines Verständnis der verschiedenen Arten von Lichtschranken und deren Funktionsweise vermitteln.

Was ist ein optoelektronischer Sensor?

Ein photoelektrischer Sensor ist ein optischer Sensor, der aus einer Lichtquelle, einem Lichtempfänger und einer Signalverarbeitungs- und Steuerausgangsschaltung besteht. Sie können das Vorhandensein von Objekten und manchmal sogar die Oberflächenbeschaffenheit erkennen.

Wird das emittierte Licht durch ein nahes Objekt unterbrochen, erkennt der Lichtempfänger diese Änderung und schaltet den Ausgang des Sensors ein oder aus. Einige Näherungssensoren sind sogar in der Lage, die Entfernung zum Objekt zu bestimmen.

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Funktionsprinzip optoelektronischer Sensoren

Die Funktionsweise von Lichtschranken basiert auf den primären Eigenschaften des Lichts: Intensität, Ausbreitungsrichtung, Frequenz und Polarisation. Sie können eines oder mehrere dieser Konzepte verwenden, um die Entfernung zu Objekten zu erkennen und zu messen.

Eigenschaften von Licht

Geradlinige Ausbreitung

Licht ist ein elektromagnetische Welle. Eine der physikalischen Eigenschaften elektromagnetischer Wellen ist die geradlinige Ausbreitung. Es beschreibt die Tendenz des Lichts, sich geradlinig auszubreiten. Beim Durchlaufen eines homogenen Mediums (Material, das an jedem Punkt die gleichen Eigenschaften hat) wie Luft, biegen sich Lichtwellen nicht und bewegen sich daher geradlinig.

Sensoren wie Einweg-Lichtschranken Verwenden Sie diese Eigenschaft des Lichts, um Objekte zu erkennen, die auf den Strahl stoßen und ihn blockieren.

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Brechung

Eine weitere Eigenschaft von Licht ist, dass es die Richtung ändert (abgelenkt), wenn es durch eine Grenzfläche geht, die zwei Medien trennt. Wenn Licht beispielsweise durch Luft wandert und in Wasser eintritt, wird der gerade Strahl abgelenkt. Dies liegt an der Änderung der Brechungsindex in den beiden Medien. Die Abbildung unten zeigt, wie Licht gebrochen wird, wenn es durch Luft-Glas-Luft-Medien strömt.

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Betrachtung

Reflexion ist die Eigenschaft von Licht, die das Phänomen beschreibt, bei dem ein Lichtstrahl auf ein Objekt oder eine Oberfläche wie ein Glas oder einen Spiegel trifft und den Strahl zurück zur Quelle umlenkt. Reflexion beschreibt, dass der Einfallswinkel gleich dem Reflexionswinkel ist, wodurch der Lichtstrahl nach der Reflexion auf dem gleichen exakten Weg in die entgegengesetzte Richtung läuft.

Retroreflexion ist eine verbesserte Version der Reflexion, bei der ein "Eckwürfel" verwendet wird. Eckwürfel bestehen aus drei flachen Spiegeln, die senkrecht zueinander stehen. Diese Reflexion wird auch als "Retroreflexion" bezeichnet.

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Während reflektierende Oberflächen das auf sie gerichtete Licht fast vollständig reflektieren, können einige Materialien wie weißes Papier Licht in alle Richtungen reflektieren. Dies wird als „Streuung“ oder „Diffusion“ bezeichnet.

Polarisation

Wie bereits erwähnt, ist Licht eine elektromagnetische Welle. Elektromagnetische Wellen können auch als oszillierende Wellen betrachtet werden, sowohl horizontal als auch vertikal. Die meisten Lichtschranken verwenden heutzutage LEDs als Lichtquellen. Das von LEDs emittierte Licht hat sowohl horizontale als auch vertikale Komponenten, bekannt als „unpolarisiertes“ Licht.

Wir können spezielle Filter verwenden, die als "Polarisationsfilter" bezeichnet werden, um eine dieser Komponenten herauszufiltern, damit der Strahl nur entweder die horizontalen oder die vertikalen oszillierenden Komponenten enthält. Der Lichtstrahl wird dann 'polarisiert'.

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Polarisation wird im Allgemeinen verwendet, um externe Störungen zu vermeiden, da der Sensor nicht auf fast jeden Lichtstrahl reagiert, sondern nur auf den speziell gefilterten Strahl.

Lichtquellen

Optische/optische Sensoren werden mit zwei Arten von Lichtquellen geliefert: pulsmoduliertes Licht und nicht moduliertes Licht.

Modulierte Lichtquellen

Auch als pulsmoduliertes Licht bekannt, verwendet dieses Verfahren einen kontinuierlich pulsierenden Lichtstrahl, um Objekte zu erkennen. Das emittierte Licht (LED) wird in einem festen Zeitintervall wiederholt ein- und ausgeschaltet. Diese Methode ist sehr nützlich bei Sensoren, bei denen externe Lichtinterferenzen ein Problem darstellen können. Da der Sensor nur auf die spezifische Frequenz des emittierten Lichts empfindlich ist, können externe Lichtquellen den Sensor nicht stören und ihn unbeabsichtigt auslösen.

Sensoren mit modulierten Lichtquellen haben auch eine höhere Reichweite als Sensoren mit nicht modulierten Lichtquellen.

Nicht modulierte Lichtquelle

Das einfachste, nicht modulierte Licht ist ein kontinuierlich leuchtender Strahl mit einer bestimmten Lichtintensität. Sie sind schneller als modulierte Lichtsensoren, aber anfällig für externe Störungen.

Triangulation

Bei Sensoren mit einstellbarem Abstand können wir die Verschiebung eines Objekts mit einer Methode namens „Triangulation“ erkennen. Diese Sensoren verfügen über ein spezielles Sensorelement, das erkennen kann, wo genau der Lichtstrahl auf den Sensor fällt. Befindet sich das Objekt beispielsweise an der in der Abbildung unten gezeigten Position A, fällt der Lichtstrahl auf Position 'a' des Positionsdetektors. Wird das Objekt weiter in Richtung Punkt B bewegt, wird der Lichtstrahl ebenfalls auf Punkt 'b' des Sensors gebündelt.

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Klassifizierung optoelektronischer Sensoren

Wir können optoelektronische Sensoren nach drei Hauptkriterien klassifizieren: Erfassungsmethode, Auswahlpunkte nach Erfassungsmethode und Konfiguration.

Klassifizierung nach Erfassungsmethode

  • Einweglichtschranken
    • Bei Einweglichtschranken gibt es zwei Geräte: den Sender und den Empfänger. Sie sind gegenüberliegend installiert. Der Sender sendet einen Lichtstrahl aus und dieser fällt auf den Sensor auf der anderen Seite. Wenn ein Objekt in die Sichtlinie des Sensors eintritt, unterbricht es den Strahl und der Sensor interpretiert das Fehlen von Licht als Erkennung eines Objekts.

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    • Einweglichtschranken können einen Erfassungsbereich von wenigen Zentimetern bis zu einigen zehn Metern haben. Sie erkennen nahezu jedes lichtundurchlässige Material unabhängig von Form, Farbe und Glanz.
  • Reflexions-Lichtschranken
    • Reflexionslichtschranken haben die gesamte erforderliche Hardware in einem einzigen Gehäuse. Während des normalen Betriebs sendet der Sender ein Licht aus und kehrt nie zum Sensor zurück. Wenn ein Objekt im Strahl platziert wird, reflektiert es einen Teil des Lichts zurück zum Sensor. Der Sensor überwacht die reflektierte Lichtmenge und wenn diese über einem festen Wert liegt, wird der Ausgang getriggert.

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    • Diffussensoren sind einfacher zu montieren, da nur ein einziges Gerät vorhanden ist und wenig Kalibrierung/Justierung erforderlich ist. Sie können Objekte von mehreren Zentimetern bis zu mehreren Metern erkennen.
    • Die Farbe und Textur der erkannten Objekte kann die Leistung und Stabilität von Diffusmodus-Sensoren beeinträchtigen.
  • Reflexionslichtschranken
    • Reflexionslichtschranken sind ebenfalls Eingerätesensoren, die das reflektierte Licht sowohl aussenden als auch detektieren. Ein spezieller Reflektor namens 'Retroreflektor' reflektiert das emittierte Licht.
    • Wenn ein Objekt den Lichtstrahl unterbricht, wird die Intensität des reflektierten Strahls geringer und der Sensor kann diese Änderung erkennen und den Ausgang ein-/ausschalten.
    • Fotoelektrischer Sensor (9)
    • Auch Reflexionslichtschranken haben eine Reichweite von wenigen Zentimetern bis zu mehreren Metern. Sie können sowohl transparente als auch opake Materialien erkennen. Mit speziellen Zusätzen wie Polarisationsfiltern können sie sogar verspiegelte Oberflächen erkennen.
    • Reflexionslichtschranken haben im Nahbereich eine Totzone, was in manchen Anwendungen ein Nachteil sein kann.
  • Abstand einstellbare Sensoren
    • Lichtschranken mit einstellbarem Abstand können die Relativbewegung eines erkannten Objekts erkennen. Sie verfügen über einen Positionsdetektorsensor, der erkennen kann, wo sich auf dem Sensor das empfangene Licht konzentriert. Einige Sensoren haben eine zweiteilige Fotodiode, von der einer erkennt, wenn sich das Objekt in der Nähe des Sensors befindet, und der andere erkennt, wenn das Objekt weit entfernt ist, indem er die Differenz der Lichtintensitäten der beiden Fotodioden berechnet.

Fotoelektrischer Sensor (10)

    • Der Betrieb des Sensors mit einstellbarem Abstand wird nicht wesentlich durch Hintergrund- oder Objektbedingungen wie Farbe oder Oberflächenbedingungen beeinflusst.
  • Begrenzt reflektierende Sensoren
    • Begrenzte Reflexionssensoren ähneln den Sensoren mit einstellbarem Abstand, ihre Reichweite ist jedoch optisch eingeschränkter. Sie können nur Objekte in einer bestimmten Entfernung (Bereich, in dem sich Sendelicht und Empfangspfad überschneiden) erkennen.

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    • Begrenzte Reflexionssensoren können kleine Höhenänderungen von Objekten erkennen und sind daher für Qualitätskontrollanwendungen geeignet. Ähnlich wie beim Typ mit einstellbarem Abstand wird der Sensorbetrieb nicht wesentlich durch den Hintergrund oder die Objektbedingungen wie Farbe oder Oberflächenbedingungen beeinflusst.

Auswahlpunkte nach Erfassungsmethode

Wir müssen mehrere Punkte berücksichtigen, wenn wir einen photoelektrischen Sensor für eine bestimmte Anwendung in Betracht ziehen.

Bei der Auswahl von a Einweglicht und retroreflektierend Sensoren folgende Punkte beachten:

Erfassungsobjekt

  • Größe und Form (Länge x Breite x Höhe)
  • Transparenz (undurchsichtig, halbtransparent oder transparent)

Sensor

  • Schaltabstand
  • Größen- und Formbeschränkungen (Sensor und eventuelle Reflektoren)
  • Notwendigkeit einer seitlichen Montage
    • Anzahl der Einheiten
    • Montageabstand
    • Gestaffelte Montage erforderlich
  • Montagebeschränkungen
    • Winkel
    • Angebote

Umwelt

  • Umgebungstemperatur, Luftfeuchtigkeit
  • Vorhandensein von Spritzwasser, Chemikalien und Öl

Wenn die Anwendung erfordert a diffus-reflektierend, abstands- oder abstands-einstellbarer Sensor, überprüfen Sie die Eigenschaften von;

Erfassungsobjekt

  • Größe und Form (Länge x Breite x Höhe)
  • Farbe
  • Material (Stahl, Holz, Papier, SUS etc.)
  • Oberflächenfinish (gloxxy, texturiert etc.)
  • Fahrgeschwindigkeit

Sensor

  • Schaltabstand
  • Größen- und Formbeschränkungen (Sensor und eventuelle Reflektoren)
  • Notwendigkeit einer seitlichen Montage
    • Anzahl der Einheiten
    • Montageabstand
    • Gestaffelte Montage erforderlich
  • Montagebeschränkungen
    • Winkel
    • Angebote

Umwelt

  • Umgebungstemperatur, Luftfeuchtigkeit
  • Vorhandensein von Spritzwasser, Chemikalien und Öl

Klassifizierung nach Konfiguration

Optische Sensoren können auch nach ihrer physikalischen Konfiguration kategorisiert werden. Sie bestehen aus vier Hauptteilen, dem Sender, dem Empfänger, dem Verstärker und dem Controller.

Sensoren mit separaten Verstärkern

Sensoren wie Einweglichtschranken haben ihre Verstärkerschaltung oft als separate Einheit. Beim Einweglichttyp sind Sender und Empfänger ebenfalls in unterschiedlichen Gehäusen untergebracht. Reflexionssensoren haben einen integrierten Sender und Empfänger sowie eine separate Verstärkereinheit.

Diese Anordnung kann nützlich sein, wenn die Sensoren in engen Räumen montiert werden müssen und nicht leicht zugänglich sind, um ihre Empfindlichkeit einzustellen. Da der Verstärker jedoch von den Sensoren entfernt montiert ist, ist das Signal auch anfällig für elektrisches Rauschen.

Eingebaute Verstärkersensoren

Dieser Typ besteht aus allen vier Hauptkomponenten des Sensors, einschließlich der Verstärkereinheit. Bei den meisten Einweglichtschranken mit integriertem Verstärker sind der Empfänger, der Verstärker und der Controller im Empfänger integriert und der Sender bleibt als separate Einheit. Sie benötigen nur eine externe Stromversorgung zum Einschalten.

Sensoren mit eingebautem Verstärker benötigen relativ weniger Verdrahtungsaufwand als Sensoren ohne Verstärker. Sie werden daher sehr selten durch elektrisches Rauschen beeinträchtigt, da keine Signalleitungen beteiligt sind.

Sensoren mit integrierten Netzteilen

Diese Art von optoelektronischen Sensoren kann eine Hochleistungslast wie Motoren oder Glühbirnen direkt ansteuern. Sie verfügen über eine eigene integrierte Stromversorgungsschaltung und können direkt an handelsübliche Netzteile angeschlossen werden. (keine separaten Netzteile erforderlich).

Sie sind jedoch auch in Bezug auf den Footprint viel größer, da sie neben Sender, Empfänger, Verstärker und Controller-Schaltung die gesamte Leistungselektronik und Stromversorgungsschaltung enthalten müssen.

Bereichssensoren

Flächensensoren sind eine modifizierte Version von Einweglichtschranken, die Objekte mit mehreren Strahlen erkennen können. Sie sind nützlich bei der Erkennung von Objekten, die unterschiedliche Ausrichtungshöhen aufweisen können, wie zum Beispiel kleine Teile.

Merkmale des photoelektrischen Sensors

Die nützlichste Eigenschaft von Lichtschranken ist, dass sie jedes Objekt berührungslos erfassen können. Im Gegensatz zu Sensoren wie Endschaltern erkennen sie die Anwesenheit eines Objekts mit Hilfe von Licht. Sie haben auch keine Einschränkungen, was erkannt werden kann; der richtige photoelektrische Sensor erkennt jedes Objekt innerhalb seiner Erfassungsgrenzen.

Optische Sensoren sind zudem extrem schnell und haben eine sehr hohe Auflösung für Präzisionsanwendungen. Sie haben auch die höchste Erfassungsreichweite von über 10 Metern im Vergleich zu magnetischen und Ultraschall-Pendants.

Auch das Ausrichten, Kalibrieren und Justieren von Lichtschranken ist sehr einfach, da der Lichtstrahl mit bloßem Auge sichtbar ist (nur bei Modellen, die sichtbares Licht emittieren).

Einstellung der Empfindlichkeit des photoelektrischen Sensors

Die Einstellung der Empfindlichkeit von Lichtschranken ist sehr einfach. Einige Sensoren bestehen aus einem speziellen Knopf namens 'Teach-in' und andere sind mit einem Potentiometer ausgestattet, das wir mit einem Schraubendreher drehen können. Ein typischer photoelektrischer Sensor hat zwei Anzeige-LEDs, eine grüne für die Leistungsanzeige und eine orangefarbene für die Anzeige des aktuellen Ausgangsstatus.

Um die Empfindlichkeit des Potentiometertyps einzustellen, drehen Sie das Potentiometer vollständig gegen den Uhrzeigersinn, wenn kein Objekt vorhanden ist. Legen Sie dann das Objekt vor den Sensor und drehen Sie das Potentiometer im Uhrzeigersinn, bis die orangefarbene LED aufleuchtet.

Wo werden optoelektronische Sensoren verwendet?

Optische Sensoren finden sich in vielen Anwendungen zur berührungslosen Objekterkennung. Sie beinhalten,

  • Prüfen und Zählen von Objekten, die eine Förderstrecke hinunterfahren
  • Farben erkennen
  • Entfernungen messen
  • Verschiebung messen
  • Näherungssensorik (Anwesenheit/Abwesenheit eines Objekts)

Was ist der Unterschied zwischen Näherungssensoren und optoelektronischen Sensoren?

Näherungssensoren verwenden typischerweise elektromagnetische oder kapazitive Felder, um das Vorhandensein von Objekten zu erkennen. Optische Sensoren verwenden Lichtstrahlen, um Objekte zu erkennen. Es gibt Näherungssensoren, die Lichtstrahlen zum Erfassen verwenden.

Optoelektronische Sensoren sind im Vergleich zu Näherungssensoren extrem schnell, da sie Lichtstrahlen verwenden, um Objekte zu erkennen. Dies liegt daran, dass sich Licht mit sehr hohen Geschwindigkeiten ausbreitet. Näherungssensoren können bis zu einigen Millisekunden brauchen, um ein Objekt richtig zu erkennen.

Näherungssensoren sind relativ kostengünstiger als ihre fotoelektrischen Gegenstücke. Dies ist auf den relativ einfachen Aufbau der Näherungssensoren zurückzuführen. Näherungssensoren sind jedoch im Allgemeinen größer als Lichtschranken.

Optoelektronische Sensoren sind komplexer als Näherungssensoren, haben aber auch eine sehr hohe Auflösung und Genauigkeit. Lichtschranken sind auch einfacher einzustellen als Näherungssensoren, die manchmal zusätzliches Kalibriermaterial erfordern.

Was sind die vier grundlegenden Teile der Lichtschranke?

Es gibt vier Hauptstufen einer Lichtschranke:

Lichtquelle

Dies ist der Abschnitt, der die Lichtemission behandelt. Heutige photoelektrische Sensoren basieren auf LED (Light Emitting Diodes), die entweder infrarotes (IR) oder sichtbares Licht wie rote, grüne oder blaue Farbe haben können. Die meisten Sensoren verwenden das pulsmodulierte Verfahren, um kontinuierliche Pulsfolgen zu senden, um externe Störungen durch ähnliche Lichtquellen zu reduzieren.

Lichtempfänger

Die Empfängerschaltung empfängt das von der Lichtquelle reflektierte/emittierte Licht und wandelt es in ein elektrisches Signal um.

Hauptstromkreis

Die Hauptschaltung übernimmt alle High-Level-Funktionen wie Pulsmodulation für den Sender und Signalkonditionierung für den Empfänger. Es verfügt außerdem über einen Synchrondetektor und eine Verstärkerstufe, um die Anwesenheit/Abwesenheit oder eine Änderung des empfangenen Signals zu erkennen.

Ausgangsschaltung

Die Ausgangsschaltung steuert das endgültige Ausgangssignal. Es stehen alle Arten von Ausgangskreisen zur Verfügung, einschließlich NPN/PNP-Ausgängen und Relaisausgängen. Einige Sensoren können analoge Signale ausgeben und einige können sogar eine beträchtlich große Last direkt ansteuern, anstatt nur ein Signal bereitzustellen.

Wie richtet man einen optoelektronischen Sensor ein?

Optoelektronische Sensoren sind mit mehreren Ausgangstypen erhältlich, einschließlich Transistorausgang wie PNP oder NPN und Relaisausgang. Die folgende Abbildung zeigt die Verdrahtung der Sendeeinheit für eine Einweglichtschranke. Das Anlegen von 0 V an den rosa Draht schaltet den Emitter ein.

Der Empfänger der unten gezeigten Einweglichtschranke hat NPN-Ausgänge. Der schwarze Ausgang bleibt auf Hochspannung (12V oder 24V je nach Versorgung). Wenn ein Objekt erkannt wird, wird es an 0V angeschlossen, wodurch der Strom durch die angeschlossene Last fließt. Um mit NPN-Sensoren zu kommunizieren, muss eine SPS über eine PNP-Eingangskarte verfügen.

In diesem Artikel haben wir den allgemeinen Betrieb von Lichtschranken, die Technologie hinter ihrem Betrieb und die in der Industrie verfügbaren Arten von Sensoren diskutiert. Optoelektronische Sensoren sind hochgenaue und präzise Sensoren, die in hochpräzisen Maschinen und allgemeinen Anwendungen zur Objekterkennung eingesetzt werden.

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Author: Lidia Grady

Last Updated: 01/02/2023

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