2.6 Optische Sensoren

2.6 Optische Sensoren
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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
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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.
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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
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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.
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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
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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?
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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
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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
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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?