2.6 Optische Sensoren
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2.6 Optische Sensoren 45 erzeugt. Wenn der Abstand des Bleches sich ändert, so ändert sich auch der magnetische Widerstand. Auf diese Weise lassen sich Abstandsänderungen in Bruchteile von Millimetern erfassen. Die Funktion ist allerdings nur gegeben, so lange das zu prüfende Objekt in Bewegung ist. Eine statische Messung ist nicht möglich. Aus diesem Grund wird die Geberscheibe in Rotation versetzt. An dem außen angebrachten Sensor werden die Gebernocken vorbei geführt. Ist einer der Gebernocken nicht im Toleranzbereich von 0,5 mm bis 2,5 mm, so wird dieser Fehler angezeigt. Die betreffende Geberscheibe wird aussortiert. Bild 2-31 Geberscheibe eines Nockenwellentilgers Zur Selbstkontrolle 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. Skizzieren Sie einen induktiven Näherungsschalter und benennen Sie seine wichtigsten Komponenten. Erklären Sie die Funktionsweise des induktiven Näherungsschalters. Erklären sie den Begriff Hysterese. Welche Schaltabstände sind mit dem induktiven Näherungsschalter einstellbar? Was muss bei der Montage bezüglich bündig bzw. nichtbündig beachtet werden? Erklären Sie die Funktionsweise des kapazitiven Näherungsschalters. Welche Mindestabstände sind bei paralleler Montage zweier kapazitiver Sensoren erforderlich? Mit wie viel Nm darf ein kapazitiver Sensor Metallgehäuse M12 maximal angezogen werden? Wie wird der Nennschaltabstand Sn eines kapazitiven Sensors ermittelt? 2.6 Optische Sensoren 2.6.1 Grundlagen In der Klasse der Näherungsschalter stellt die Lichtschranke – sie wird auch als fotoelektrischer Schalter bezeichnet – ein wichtiges Glied dar. Der Markt für Lichtschranken ist in den letzten Jahren stark gewachsen. Um deren Funktion von Lichtschranken besser verstehen zu können, ist es unerlässlich zunächst einige Eigenschaften des Lichts zu erklären. Einige Eigenschaften des Lichts Physikalisch betrachtet ist Licht einerseits eine elektromagnetische Welle. Einige Eigenschaften des Lichts lassen sich aber besser erklären, wenn man annimmt, dass Licht auch Teilchencharakter hat. Man spricht hier auch vom Dualismus Welle – Teilchen. 46 2 Messtechnik Korpuskelnatur In einer Solarzelle wird Licht in elektrischen Strom verwandelt. Diese Effekt kann man sich leicht erklären, wenn man sich Licht als Strom von kleinen masse- und damit auch energiebehafteten Teilchen vorstellt. Von der Lichtquelle ausgehend fliegen diese Teilchen (auch Photonen genannt) mit Lichtgeschwindigkeit durch den Raum, treffen auf die Halbleiterschicht in der Fotodiode und erzeugen so direkt einen elektrischen Strom. Ein weiteres Argument für die Teilchenstruktur des Lichts ist auch die Beobachtung, dass Licht durch große Massen von seiner geradlinigen Bahn abgelenkt wird. Das kann nur dadurch geschehen, dass Licht eine Masse hat (also aus Teilchen besteht). Ein weiteres ‚Teilchenphänomen’ ist die Reflexion. Licht wird von bestimmten Oberflächen wie eine Billardkugel von der Bande reflektiert. Wellennatur des Lichts Andere Beobachtungen, wie die, dass weißes Licht sich durch ein Prisma in verschiedene Farben auffächern lässt, lassen sich wiederum besser erklären, wenn man sich vorstellt, dass das Licht sich wie eine Welle verhält. Wirft man einen Stein ins Wasser, breiten sich Wellen aus. Wirft man etwas versetzt einen zweiten Stein, erregt auch dieser Wellen, die mit den anderen charakteristische Muster, sogenannte Interferenzen, erzeugen. Ähnlich Beobachtungen kann man auch beim Licht machen. Elektromagnetische Strahlung Das sichtbare Licht stellt nur einen kleinen Bereich des elektromagnetischen Strahlungsspektrums dar, nämlich den, für den unsere Augen empfindlich sind. Mit elektromagnetischer Strahlung sind alle Wellen gemeint, die sich im Vakuum mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Dazu gehört nebst dem sichtbaren Licht auch das ultraviolette und infrarote Licht, die kosmischen Strahlen, Röntgenstrahlen, Mikro- und Radiowellen. Innerhalb des sichtbaren Bereiches, das nur einen winzigen Ausschnitt des elektromagnetischen Wellenspektrums darstellt, kann das menschliche Auge sehr fein differenzieren. λ [nm] 0,01 Extrem 380 455 492 Ultraviolett 10-6 10-4 780 sichtbares Licht GammaStrahlen Kosmische RöntgenStrahlen Strahlen 10-8 577 597 violett blau grün gelb orange rot nah 1 10² 104 weit Infrarot mmWellen 10-2 100.000 nah RadioWellen 106 108 Tonfrequenzen 1010 1012 λ [ µm ] Bild 2-32 Elektromagnetisches Strahlenspektrum Jede Welle hat Teilchencharakter und jedes Teilchen hat Wellencharakter; dies zeigt sich auch in den beiden Formeln 2.6 Optische Sensoren 47 Der Dualismus wird auch deutlich in den Formeln für die übertragene Energie: W = m ⋅ c2 = h ⋅ c λ mit m für Masse, c für die Lichtgeschwindigkeit (etwa 300 000 km/s), h = 6, 6 ⋅10−34 Ws 2 (Planck’sches Wirkungsquantum) und λ für die Wellenlänge. Tabelle 2-5 Elektromagnetische Strahlungsarten Strahlungsart Frequenz Wellenlänge LW 6 300m 7 30m 8 10 Hz KW 10 Hz UKW 10 Hz 3m Fernsehbereich UHF 109 Hz 30 cm 12 0,3 nm 14 3 µm Mikrowellen und Radar Infrarot 10 Hz 10 Hz 15 Sichtbares Licht ~10 Hz Ultraviolett 200 nm 20 10 Hz durchdringt in geringem Maße nicht metallische Materialien durchdringt kaum Materialien 500 nm 15 Durchdringung Röntgenstrahlen 10 Hz 3 pm durchdringt in sehr hohem Maße nicht metallische Materialien und beschränkt auch Metalle Radioaktive Strahlen 1021 Hz 0,3 pm durchdringt fast alle Stoffe Tabelle 2-6 Akustische Strahlungsarten Strahlungsart Frequenz Wellenlänge Durchdringung Ultraschall 105 Hz 3 mm --- Hörbarer Schall 103 Hz 30 cm --- In dieser Tabelle wird als Vergleich die Ausbreitung von Schall dargestellt. Trotz der geringen Frequenz ist die Wellenlänge klein, da die Ausbreitung des Schalls nur mit 330 m/s erfolgt. Diese beiden Tabellen zeigen, dass für Sensoren offensichtlich ganz verschiedene Möglichkeiten existieren. In den letzten Jahrzehnten sind Sensoren für alle Strahlungsarten außer der kosmischen Strahlung auf den Markt gekommen. Je nach Aufgabe nutzen die optischen Sensoren den sichtbaren, nahen infraroten und ultravioletten Bereich aus. Veränderung des Lichtweges Licht bereitet sich geradlinig aus. Für viele Einsatzbedürfnisse muss es abgelenkt werden. Dies geschieht mit den Gesetzen der geometrischen Optik. Dabei treten zwei Prinzipien auf, das der Reflexion und das der Lichtbrechung. 48 2 Messtechnik Trifft ein Lichtstrahl auf eine gut reflektierende Oberfläche, so wird er unter dem Winkel, den der einfallen Strahl mit dem Einfallslot bildet, reflektiert. Je besser dabei die spiegelnde Oberfläche ist, desto höher ist der Wirkungsgrad. α α spiegelnde Oberfläche Bild 2-33 Reflexion des Lichts Trifft ein Lichtstrahl von Luft auf einen anderen durchsichtigen Körper, so wird das Licht in Abhängigkeit von den optischen Eigenschaften des Materials mehr oder weniger stark zum Einfallslot hin gebrochen. α Luft optisch dichteres Material β Bild 2-34 Brechung des Lichts Tritt das Licht aus dem optisch dichteren Material in Luft aus, so kommt es bei von den optischen Eigenschaften des Materials abhängigen mehr oder weniger großen Auftreffwinkel zur Totalreflexion. Licht tritt aus dem durchsichtigen Körper an dieser Stelle nicht mehr aus. Dies macht man sich in der Glasfasertechnik zu Nutze. Durch diesen Effekt können aber auch – teure – Spiegel durch – billige – Plexiglaskörper ersetzt werden. Luft α α optisch dichteres Material Bild 2-35 Totalreflexion Dieses Phänomen der Totalreflexion nutzt man bei Reflektoren aus. Hier ist ein Plexiglaskörper so geformt, dass seine Grenzflächen zur Luft das Licht total reflektieren. Dies geschieht bei den sogenannten Tripelreflektoren in weiten Bereichen sogar unabhängig davon, ob das Licht senkrecht auf den Reflektor trifft oder nicht. 2.6 Optische Sensoren 49 Bild 2-36 Tripelreflektor Eine weitere Eigenschaft der Tripelreflektoren ist, dass sie das Licht depolarisieren. Dies bedeutet, das eintreffende, polarisierte Licht schwingt nur in einer Ebene, das zurückgeworfene Licht hingegen schwingt wieder in allen Ebenen. Der Anwendung des Tripelreflektors in der Praxis: • Als Katzenauge an Fahrradpedalen, Autos usw. • Als Reflektormarken an Begrenzungspfosten, Fahrrädern usw. • Als Reflektor bei Lichtschranken Diffuse Reflexion Trifft ein Lichtstrahl auf eine rauhe Oberfläche zum Beispiel Papier, Karton, unbehandeltes Metall, Holz usw., so wird er in alle Richtungen diffus zurückgeworfen. Ist das Material schon behandelt, wie zum Beispiel Photopapier, lackiertes Holz, poliertes Metall usw. weisen diese schon Spiegelcharakter auf. Zur Selbstkontrolle 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Erläutern Sie den Dualismus des Lichtes! Nennen Sie Phänomene, die sich durch die Wellennatur des Lichts erklären lassen! Nennen Sie Phänomene, die sich durch die Korpuskelnatur des Lichts erklären lassen! Welche Farbe hat Licht mit der Wellenlänge 500 nm? Nach welchen Prinzipien lässt sich der Lichtweg ändern? Unter welchen Bedingungen tritt Totalreflexion auf? Wo nutzt man die Totalreflexion aus? Welche Eigenschaften hat ein Tripelreflektor? 50 2 Messtechnik 2.6.2 Lichtschrankentypen Optoelektronische Sensoren lassen sich nach ihrer Funktionsweise grob in 5 Gruppen einteilen: Einweglichtschranken, Reflexlichtschranke, Reflexlichttaster, Fiberoptiken und Infrarotsensoren. Das den optoelektronischen Sensoren zugrunde liegende physikalische Prinzip beruht darauf, dass das Licht eines Senders von einem Empfänger aufgenommen und in ein Schaltsignal umgesetzt wird. Um die Industrietauglichkeit der Sensoren auch unter erschwerten Bedingungen zu gewährleisten sind einige entsprechende elektronische und konstruktive Maßnahmen erforderlich. Von großer Bedeutung ist dabei die Wellenlänge des Senderlichtes. Die Mehrzahl der optoelektronischen Sensoren arbeitet mit moduliertem Licht im Infrarotbereich. Dies bietet eine Reihe von Vorteilen. So beeinflusst sichtbares Umgebungslicht (z.B. von Beleuchtungskörpern) die Funktion des Sensors nicht. Das Infrarotlicht vermag ferner in hohem Maße Staub und Verschmutzungen auf der Optik zu durchdringen und gewährleistet so eine sichere Funktion. Optoelektronische Sensoren verfügen daher über eine große Betriebsreserve gegenüber Staub, Dunst, Spritzwasser usw. Durch Synchronisation von Sender und Empfänger und Einsatz von hochwertigen Linsensystemen wird höchste Störsicherheit garantiert. Einweglichtschranke Bild 2-37 Sender und Empfänger in getrennten Gehäusen Bild 2-38 Symbol der Einweglichtschranke Bei der Einweglichtschranke befinden sich Sender und Empfänger in getrennten Gehäusen die gegenüberliegend montiert werden. Ausgewertet wird die Unterbrechung des modulierten Lichtstrahles zwischen Sender und Empfänger. Wo die Unterbrechung stattfindet, ist unerheblich. Einweglichtschranken ermöglichen sehr große Reichweiten bei exakt reproduzierbaren Schaltpunkten. Systembedingt werden alle Objekte sicher erkannt, die den Lichtstrahl voll unterbrechen. Das Objekt muss mindestens die Größe der Lichteintrittsöffnung des Empfängers besitzen. Wird bei transparenten Objekten der Lichtstrahl nicht ausreichend unterbrochen, so kann dies durch eine Empfindlichkeitseinstellung korrigiert werden. Spiegelnde Oberflächen haben keinen Einfluss auf die Funktionssicherheit der Einweglichtschranken. 2.6 Optische Sensoren 51 Sender SF = Schaltfläche = aktive Zone WF = Wirkfläche = Empfangscharakteristik Bild 2-39 Funktion der Einweglichtschranke Empfänger Die Empfänger der Einweglichtschranken sind mit einem Mehrgangpotentiometer zur Einstellung der Empfindlichkeit ausgestattet. Die Empfindlichkeit sollte unabhängig von der erforerlichen Reichweite immer auf Maximum eingestellt sein, um die höchste Betriebssicherheit zu erzielen. Lediglich beim Erfassen transparenter Objekte kann es erforderlich sein, die Empfindlichkeit so weit zurückzunehmen, bis ein sicheres Schalten gewährleistet ist. Bild 2-40 Anwendungsbeispiel der Einweglichtschranke Reflexlichtschranke Bild 2-41 Reflexlichtschranke Bild 2-42 Symbol der Reflexlichtschranke 52 2 Messtechnik Bei der Reflexlichtschranke wird das modulierte Senderlicht von einem Tripelspiegel zum Empfänger reflektiert. Der Schaltvorgang wird ausgelöst, wenn ein Gegenstand diesen Strahlengang unterbricht. Reflexlichtschranken ermöglichen das Erfassen von Objekten auf große Distanzen bei geringem Montage- und Installationsaufwand, da sich Lichtsender und Empfänger in einem Gehäuse befinden. Die erzielbare Reichweite reduziert sich beim Einsatz kleinerer Tripelspiegel. Tripelspiegel SF = Schaltfläche = aktive Zone WF = Wirkfläche = Empfangscharakteristik Bild 2-43 Wirkungsweise der Reflexlichtschranke Sender Systembedingt werden alle Objekte sicher erkannt, die den Lichtstrahl voll unterbrechen, ohne ihn selber zu reflektieren. Eine sichere Erfassung ist auf jeden Fall garantiert, wenn das Objekt die Größe des Tripelspiegels hat. Bei stark reflektierenden Objekten (z.B. Folien) empfiehlt sich der Einsatz vor Reflexlichtschranken mit Polarisationsfiltern. Wird bei transparenten Objekten der Lichtstrahl nicht ausreichend unterbrochen, so kann dies durch eine Empfindlichkeitseinstellung korrigiert werden. Bild 2-44 Einbau von Reflexlichtschranken zur Verhinderung von Kollisionen zweier Brückenkrane 2.6 Optische Sensoren 53 Reflexlichttaster Bild 2-45 Reflexlichttaster Bild 2-46 Symbol des Reflexlichttasters Beim Reflexlichttaster befinden sich Lichtsender und -empfänger in einem Gehäuse. Das modulierte Infrarotlicht des Senders trifft auf das zu erfassende Objekt und wird diffus reflektiert. Ein Teil des reflektierten Lichtes trifft auf den Empfänger und löst den Schaltvorgang aus. Ausgewertet werden die beiden Zustände – Reflexion oder keine Reflexion – die gleichbedeutend sind mit der An- bzw. Abwesenheit eines Gegenstandes im Tastbereich. Systembedingt werden alle Objekte sicher erkannt, die über eine ausreichende Reflexion verfügen. Bei Objekten mit sehr schlechtem Reflexionsgrad (mattschwarze, rauhe Oberfläche) empfiehlt sich der Einsatz von Nahbereichstastern oder Tastern mit Hintergrundausblendung. Bei den mit einer Empfindlichkeitseinstellung ausgestatteten Reflexlichttastern sollte die Empfindlichkeit unabhängig von der erforderlichen Tastweite immer auf Maximum eingestellt sein, um die höchste Betriebssicherheit zu erzielen. Lediglich bei einem störenden Hintergrund (Wände, Maschinenteile) kann es erforderlich sein, die Tastweite zu reduzieren. 1 % Grenze SF = Schaltfläche = aktive Zone WF = Wirkfläche = Empfangscharakteristik Bild 2-47 Wirkungsweise des Reflexlichttasters Sender Nahbereichstaster sind speziell für den Nahbereich optimierte Reflexlichttaster. Innerhalb der vorgegebenen, fest eingestellten Tastweite werden helle und dunkle Objekte annähernd gleich gut erkannt. Hier besitzen die Nahbereichstaster hohe Leistungsreserven, die auch einen Einsatz unter schwierigen Umweltbedingungen erlauben (z.B. Staub, Nebel etc.). Außerhalb des Tastbereiches liegende Objekte werden nicht detektiert. Reflexlichttaster mit Vordergrundausblendung werden vorzugsweise eingesetzt bei gut reflektierendem Hintergrund und weniger gut reflektierenden Objekten. Sie werden auf den Hinter- 54 2 Messtechnik grund abgeglichen (Hintergrund dient als Reflektor). Reflexionen aus dem Vordergrundbereich werden wie eine Lichtstrahlunterbrechung ausgewertet. Reflexlichttaster mit Hintergrundausblendung grenzen den Tastbereich auf einstellbare, geometrisch abgegrenzte Bereiche ein. Damit ist es möglich, störende Elemente (z.B. glänzende Maschinenteile), die sich hinter dem Tastgut befinden, optisch auszublenden. Innerhalb des Tastbereiches befindliche Objekte werden weitestgehend unabhängig von ihren Reflexionseigenschaften (Farbe, Größe, Oberfläche) erkannt. Die effektive Tastweite ist damit nicht vom Tastgut, sondern ausschließlich vom eingestellten Tastbereich abhängig. Bild 2-48 Einsatz eines Reflexlichttasters zur Kontrolle von Zuführstörungen in der Verpackungsindustrie Der Kontrasttaster dient zur Erkennung von Markierungen, Codierungen, Klebestellen o.Ä. Dazu wird der Helligkeitsunterschied zwischen Trägermaterial und Markierung ausgewertet. Es können eine Vielzahl von Helligkeitsstufen (Grauwerte und Farben) unterschieden werden. Fiberoptiken Sensoren mit Fiberoptik ermöglichen die optoelektronische Abtastung auch dort, wo für die Montage nur sehr wenig Raum vorhanden ist oder hohe Umgebungstemperaturen den Einsatz konventioneller Sensoren nicht zulassen. Aufgrund ihrer kleinen Bauform und den optischen Eigenschaften erfassen sie nicht nur die Präsenz von Gegenständen, sondern erkennen auch qualitätsbestimmende Details, z.B. Gewindegänge an Schrauben. Bei den Sensoren mit Fiberoptik sind Sender und Empfänger in einem Gehäuse integriert. Die Fiberoptik wird mit einem speziellen Adapter verlustarm an den Schaltverstärker angekoppelt. Mit Fiberoptiken lassen sich sowohl Einweglichtschranken als auch Lichttaster realisieren. Fiberoptiken bestehen aus flexiblen Glasfaserbündeln, die durch eine entsprechende Ummantelung gegen äußere Einflüsse geschützt werden. Bild 2-49 Symbol der Fiberoptik Bild 2-50 Anwendungsmöglichkeit der Fiberoptik 2.6 Optische Sensoren 55 Bild 2-51 Aufbau eines Glasfaserkabels In den Glasfasern pflanzt sich das Licht gemäß dem physikalischen Gesetz der Totalreflexion bei geringer Dämpfung fort. Die Fiberoptiken enden in speziellen Sensorköpfen. Dort tritt das Licht des Senders aus, und das Empfangssignal wird aufgenommen. Fiberoptiken können aufgrund ihrer Flexibilität wie elektrische Leitungen gebogen und verlegt werden. Fiberoptikgeräte arbeiten mit moduliertem Sendelicht, um höchste Betriebssicherheit zu erzielen. Je nach Anwendungsfall kann zwischen Infrarot- oder sichtbarem Rotlicht und einer Vielzahl von speziell auf den Fiberoptik-Einsatz abgestimmten Schaltverstärkern gewählt werden. So können z.B. Fiberoptiken mit Kunststoffmantel aufgrund ihrer hohen Schutzart IP67 im Nassbereich eingesetzt werden. Für hohe Umgebungstemperaturen bis + 290° C eignen sich Fiberoptiken mit Metallmantel. Metall-Silikonummantelungen werden bevorzugt im Nassbereich und bei mechanischer und chemischer Belastung eingesetzt. Bild 2-52 Einsatz von Fieberoptiken erlauben hohe Umgebungstemperaturen Infrarotsensoren (für Wärmestrahlung) In vielen Produktions- und Verarbeitungseinrichtungen finden temperaturabhängige Prozesse statt. Sinnvolle Automatisierung und Qualitätskontrolle erfordert berührungsloses, sicheres Erfassen und Überwachen von Temperaturen bzw. Temperaturbereichen. Infrarotsensoren erfassen die Wärmestrahlung im µm-Bereich von Objekten und setzen diese in ein elektrisches Schaltsignal um. Die Sensoren arbeiten als reine Infrarotempfänger. Das Objekt wirkt also selbst als Sender für den Sensor. Das Spektrum der emittierten Infrarotstrahlung ist direkt von der Temperatur des Objektes abhängig. Der entscheidende Vorteil dieser Sensoren gegenüber Temperaturfühlern (wie PT100) besteht darin, dass kein mechanischer Kontakt zwischen dem Objekt und dem Sensor entsteht. 56 Bild 2-53 Symbol der Infrarotsensorik 2 Messtechnik Bild 2-54 Kontaktloses Messen mit Infrarotsensorik Daraus ergeben sich folgende typische Anwendungen: • an sich bewegenden oder schwer zugänglichen Objekten • an spannungsführenden oder oberflächenbehandelten Objekten • an klebenden Materialien wie Teig oder an aggressiven Medien • Anwendungen, wo kurze Reaktionszeiten gewünscht sind Bei der Auswahl des Sensors spielen folgende Größen eine Rolle: • Objekttemperatur und Objektmaterial • Oberfläche und Größe des Objektes • Umgebungstemperatur und Abstand des Infrarotsensors zum Objekt Eine Systemübersicht gibt eine Hilfestellung für die Auswahl des passenden Infrarotsensors. Grundsätzlich muss bei der Auswahl zwischen einer Objekterkennung und einer Temperaturüberwachung unterschieden werden. Bild 2-55 Schaltabstandsdiagramm Abstandsdurchmesser bezogen auf den Abtastabstand l und den Öffnungswinkel des Infrarotsensors. 2.6 Optische Sensoren 57 Mit dem Diagramm Bild 2-55 lässt sich sehr einfach der Durchmesser der Sensorzone feststellen. Das Diagramm ist für die meisten Infrarotsensoren anwendbar. Ist die Materialtemperatur des Objektes deutlich höher als die Schalttemperatur des Infrarotsensors, kann die Abtastfläche entsprechend reduziert werden. Bei Schaltabständen oberhalb von 5 m sind die Strahlungsverluste durch den Luftweg zu berücksichtigen, deshalb sollte dann die Temperatur des Objektes deutlich über der Schalttemperatur des Infrarotsensors liegen. Die Elektronik der Infrarotsensoren besteht aus einem Photoelement mit Vorverstärker, der eine Auswerte- und Endstufe ansteuert. Die empfangene Infrarotstrahlung gelangt durch eine Glas- oder Kunststofflinse oder eine Fiberoptik zur Photodiode und bewirkt dort eine Spannungsänderung, die in ein Schaltsignal umgesetzt wird. Da Infrarotsensoren die Strahlung nur in einer bestimmten Wellenlänge bzw. Wellenlängenbereich (µm-Bereich) erfassen, ist die Störempfindlichkeit durch Fremdstrahlung gering. Nur Fremdstrahlung der entsprechenden Wellenlänge des Infrarotsensors kann bei ausreichender Intensität zu Fehlschaltungen führen (z.B. Sonnenlicht). Materialien mit einem stark abweichenden Strahlungsverhalten sind z.B. blankes Aluminium oder Kupfer. Für die Praxis bedeutet dies, dass derartige Materialien unter Umständen nur schwierig von Infrarotsensoren zu erfassen sind, obwohl ihre Eigentemperatur der Schalttemperatur des Sensors entspricht. Bei einem Emissionswert von E < 1 sinkt die abgegebene infrarote Strahlung, und es muss je nach Strahlungsintensität ein Infrarotsensor mit kleiner Schalttemperatur gewählt werden. Innerhalb eines Temperaturbereiches von +50° C bis +500° C können zwei Schaltpunkte für eine minimale bzw. maximale Überwachung definiert werden. Die beiden Schaltpunkte können mit jeweils einem Potentiometer eingestellt werden. Bei einer ausreichenden Temperaturdifferenz zwischen Objekt- und Umgebungstemperatur bieten die Sensoren die Möglichkeit, Objekte oberhalb von -20° C zu detektieren. Bild 2-56 Schaltverhalten des Infrarotsensors bei Temperatur. Neben der Überwachung einer Temperaturgrenze lässt sich durch Kombination der zwei einstellbaren Schaltpunkte des Infrarotsensors ein Fenster im Temperaturbereich +50° C bis +500° C (bei E ~ 1, Abgleich bei Abstand 1 m) definieren. Über den Temperaturbereich von +500° C hinaus lässt sich der Sensor bei der Objekterkennung einsetzen. Die Einstellung des Sensors auf bestimmte Temperaturschaltpunkte wird vorgenommen, indem das Objekt mit der gewünschten Temperatur die Abtastfläche des Sensors bedeckt und 58 2 Messtechnik dann mit den Potentiometern der gewünschte Schaltpunkt eingestellt wird. Die Schaltsignale stehen an zwei Halbleiterausgängen zur Verfügung. Die Schaltzustände werden durch LEDs signalisiert. Wird der Sensor zur Objekterkennung verwendet, kann mit den Potentiometern die Empfindlichkeit auf die gegebenen Bedingungen angepasst werden. Bild 2-57 Justierhilfe Die Infrarotsensoren der verschiedenen Bauformen finden aufgrund ihrer sehr robusten und massiven Bauform dort Anwendung, wo rauhe Umgebungsbedingungen anzutreffen sind. Besonders für den Einsatz bei Umgebungstemperaturen > 60° C sind Infrarotsensoren mit Fiberoptik vorgesehen. Dabei wird das Elektronikteil von der Wärmestrahlung abgeschirmt und nur die Fiberoptik wird in der heißen Zone (bis 250° C) montiert. Je nach gerätespezifischer Schalttemperatur werten die Infrarotsensoren einen Teil des infraroten Spektrums aus. Andere Infrarotsensoren müssen mit Hilfe einer Referenzstrahlungsquelle (entsprechend „schwarzer Strahler“) auf die jeweiligen Schalttemperaturen abgeglichen werden. Der Sensor schaltet, wenn das zu erfassende Objekt mindestens eine Materialtemperatur besitzt, die der Schalttemperatur des Infrarotsensors entspricht. Das aus dem Schaltabstand resultierende Sichtfenster muss dabei vollständig ausgefüllt sein. 2.6.3 Geräteauswahl und Montage Bei der Montage wird die Optik des Infrarotsensors zum abzutastenden Objekt hin ausgerichtet. Der Infrarotsensor besitzt aufgrund seiner Optik ein Sichtfenster, dessen Fläche vom Schaltabstand und dem Öffnungswinkel des eingesetzten Gerätes abhängt. Bild 2-58 Berechnung des Schaltabstandes Die Größe dieses Sichtfensters kann aus dem Öffnungswinkel des verwendeten Gerätes und dem Schaltabstand wie folgt einfach berechnet werden. Mit dem Schaltabstanddiagramm kann auf die Berechnung verzichtet werden. 2.6 Optische Sensoren d = 2 ⋅ l ⋅ tan α 2 59 + Linsendurchmesser Öffnungswinkel = Abstand = l Abtastdurchmesser = d Bild 2-59 Einsatz eines Infrarotsensors bei der Drahtherstellung Zur Selbstkontrolle 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. Es gibt viele Strahlungsarten. Welche Strahlung durchdringt fast alle Stoffe? Mit welcher Geschwindigkeit erfolgt die Ausbreitung des Schalls? Welcher Reflektor wirft das Licht immer wieder zur Lichtquelle zurück? Wo finden Tripelreflektoren in der Praxis ihre Anwendung? Was bedeutet diffuse Reflexion? Erklären Sie den Aufbau und die Funktion einer Einweglichtschranke. Welchen Vorteil hat die Reflexlichtschranke gegenüber anderen Lichtschranken? Nennen Sie Anwendungsmöglichkeiten von Reflexlichtschranken. Wo werden Fiberoptiken eingesetzt? Wie ist ein Glasfaserkabel aufgebaut? Erklären Sie die Funktion von Infrarot-Sensoren Welche Größen spielen bei der Auswahl von Infrarot-Sensoren eine Rolle?
