Was sind faseroptische Sensoren?
Wie funktionieren faseroptische Sensoren?
Grundsätzlich messen faseroptische Sensoren verschiedene Lichtgrößen wie Wellenlänge und Intensität, um daraus andere Messwerte abzuleiten. In der industriellen Automatisierung wird oft das energetische Prinzip genutzt. Dabei koppelt der Sender, meist eine LED-Lichtquelle, Licht in einen Lichtleiter. Am Ende des Lichtleiters tritt das Licht aus und trifft entweder auf ein Objekt, das es zurückreflektiert (Tast- / Reflexionsprinzip), oder es wird direkt von einem Empfänger erfasst (Einwegschranken-Prinzip). Das zurückgesendete Licht wird anschließend zur Auswerteeinheit geleitet, wo eine Photodiode die empfangene Lichtmenge misst. Die Elektronik vergleicht diese Lichtmenge ständig mit einem festgelegten Schwellwert und schaltet den Ausgang des Sensors entsprechend.
Was sind die Vorteile von faseroptischen Sensoren?
Flexible Installation
Hohe Betriebssicherheit
Elektromagnetische Verträglichkeit
Lichtleiter vs. kleine Photoelektrik: Die Technologien im Überblick
| Lichtleiter | Kleine Photoelektrik | |
|---|---|---|
| Messreichweite |
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| Umgebungstemperatur |
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| Montageaufwand |  |
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| Erkennung transparenter Objekte |
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| Kleinstteilerkennung | |
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| Flexibilität und Individualisierung | |
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Messreichweite
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Umgebungstemperatur
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Montageaufwand
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Erkennung transparenter Objekte
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Kleinstteilerkennung
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Flexibilität und Individualisierung
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Was sind Lichtleiter-Verstärker?
Lichtleiter-Verstärker, auch als optische Verstärker bekannt, sind Komponenten, die Signale in optischen Kommunikationssystemen verstärken und eine zentrale Rolle in der Glasfaserkommunikation spielen. Hier erhöhen sie die Übertragungsreichweite.
Im Kontext der industriellen Automation sind Lichtleiter-Verstärker Sensoren, die Lichtwellenleiter wie Glasfasern oder Kunststofflichtleiter nutzen, um verschiedene physikalische Größen wie Druck, Temperatur, Dehnung sowie die Anwesenheit oder Position von Objekten zu messen. Sie nutzen die Fähigkeit der Lichtwellenleiter, Licht zu übertragen, und erfassen dabei Veränderungen im Spektrum oder in der Lichtmenge.
Was versteht man unter Multi Unit?
Was ist der Ausrichtungsmodus?
Wofür braucht man einen Hutschienenadapter?
Welche Vorteile haben unterschiedliche Lichtarten?
Rote LEDs (633 nm) bieten eine hohe Prozessstabilität, selbst bei sehr hellen oder weißen Prüfobjekten.
Blaue LEDs (455 nm) sind insbesondere für präzise Messungen auf glühenden, glänzenden oder dunklen Oberflächen geeignet, da sie weniger tief in das Prüfobjekt eindringen.
Im Pinklicht-Modus werden rote und blaue LEDs gleichzeitig aktiviert, um die Lichtleistung zu erhöhen und die Reichweite der Sensoren zu verbessern.
Infrarotes Licht (über 750 nm) ist für das menschliche Auge unsichtbar, was visuelle Ablenkungen und Manipulationen verhindert – ideal für bewegte Sensoren an Robotergreifern oder autonomen Fahrzeugen. Zudem ermöglicht es durch seine höhere Leistung eine größere Reichweite.
Was sind Lichtleiter?
Was ist der Brechungsindex?
Der Brechungsindex beschreibt, wie stark Lichtstrahlen ihre Richtung ändern, wenn sie von einem Medium in ein anderes eintreten. Er wird durch das Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum c zur Lichtgeschwindigkeit im betrachteten Medium v definiert. Der Brechungsindex n ist dimensionslos und variiert abhängig von Faktoren wie Temperatur und Wellenlänge des Lichts.Um den Brechungsindex zu bestimmen, wird folgende physikalische Formel verwendet:
Was ist der Öffnungswinkel?
Um diesen breiten Öffnungswinkel zu kontrollieren, kommen Linsen zum Einsatz, welche das Licht im Bedarfsfall fokussieren oder kollimieren. Dadurch wird die Detektion sehr kleiner Objekte ermöglicht oder die Reichweite der Lichtleitkabel deutlich gesteigert.
Lichtleitfasern im Vergleich
Lichtleiter aus Glasfaser
| Übertragung von sichtbarem Licht und Infrarotlicht |
| Tolerant gegenüber extremen Temperaturbereichen |
| Für korrosive oder nasse Industrieumgebungen geeignet |
| Besonders geringe Dämpfung im Bereich des Infrarotlichts |
| Bruch durch starkes oder wiederholtes Biegen möglich |
Lichtleiter aus Kunststoff
| Übertragung von sichtbarem Licht |
| Weniger tolerant gegenüber extremen Temperaturbereichen |
| Für korrosive oder nasse Industrieumgebungen ungeeignet |
| Besonders geringe Dämpfung im Bereich des sichtbaren Lichts |
| Wiederholte Biegungen möglich durch hohe Flexibilität |
Parallele Fasern
Koaxiale Fasern
Gemischte Fasern
Effekt Faserduchmesser / -bündeldurchmesser
Was sagt der Biegeradius aus?
Wie sind Lichtleiter aufgebaut?
Kunststofflichtleitkabel
Glasfaserlichtleitkabel
Welche Mantelarten für Glasfaserlichtleiter gibt es?
Kunststoff PVC
Edelstahl
Silikon
Welche Funktionsprinzipien von faseroptischen Sensoren gibt es?
Tastprinzip
Beim tastenden Betrieb sind Sender und Empfänger in einem Gehäuse untergebracht. Dabei trifft das vom Sender ausgesendete Licht auf das Prüfobjekt und wird zum Empfänger zurückgesendet. Die Detektion des Objekts erfolgt anhand der reflektierten Lichtmenge, die den Empfänger des Lichtleiters erreicht.
Schrankenprinzip
Das Lichtschrankenmodell besteht aus einem Sender und einem Empfänger, die sich gegenüber stehen. Sobald das Prüfobjekt den Raum zwischen Sender und Empfänger durchläuft, wird das Licht des Lichtleiters unterbrochen. Die Erkennung erfolgt anschließend durch die Abnahme der empfangenen Lichtintensität.
Spiegelreflexschranke
Beim Spiegelreflexschrankenprinzip befinden sich Sender und Empfänger in einem Gehäuse, während auf der gegenüberliegenden Seite ein Reflektor positioniert wird. Das Prüfobjekt wird erkannt, wenn das vom Reflektor zurück reflektierte Licht entweder vollständig unterbrochen oder reduziert wird.
Lichtleitbänder
Lichtleitbänder dienen der Überwachung von Bereichen. Im Gegensatz zu punktförmigen Lichtflecken, die nur innerhalb eines Punktes die Objektanwesenheit überwachen, erfassen Lichtleitbänder mehrere Zentimeter. Der Sensor erkennt das Objekt, sobald das Signal abgeschwächt oder vollständig unterbrochen wird.Dynamische Nachregelung und Sprungerkennung im Vergleich
Sowohl die dynamische Nachregelung als auch die Sprungerkennung eignen sich zur zuverlässigen Erkennung von Objekten unter wechselnden Umweltbedingungen. Bei der dynamischen Nachregelung wird ein quasi-fester Schwellwert verwendet, während die Sprungerkennung ohne Schwellwert auskommt und stattdessen ausschließlich Signaländerungen auswertet.
Fester Schaltpunkt
Der am weitesten verbreitete Betriebsmodus eines Sensors basiert auf einem festen Schaltpunkt. Dabei legt der Sensor gemäß einer vorgegebenen Teach-Logik während des Teach-in-Prozesses den Schwellwert bzw. den Schaltpunkt fest. Beim Normal-Teach entspricht dieser beispielsweise 50 % des aktuellen Signals. Sind die Umgebungsbedingungen sowie die zu detektierenden Objekte sehr konstant, bietet der Betriebsmodus mit einem festen Schaltpunkt die höchste Unempfindlichkeit gegenüber Störungen, da äußere Einflüsse den Schaltpunkt nicht verändern können: Liegt das Signal über dem festgelegten Schwellwert, wird der Ausgang aktiviert; liegt es darunter, bleibt der Ausgang inaktiv. Sollte das Signal etwa durch Verschmutzung verändert werden, kann es jedoch zu dauerhaften Fehlschaltungen kommen.
Dynamische Nachregelung
Sprungerkennung
Übersicht Lichtleiterköpfe
Gewinkelt
Gewinkelte Sensorköpfe sind ideal für enge Platzverhältnisse, bei denen die optische Achse und der Kabelabgang unterschiedlich ausgerichtet sein müssen. Dank des Gewindes können die Sensorköpfe leicht in vorbereitete Öffnungen eingeschraubt oder mit zwei Muttern an einem Winkel oder Blech befestigt werden.
L-Typ
Flach
Biegbar
Lichtleitbänder
Lichtleitbänder im Einwegschranken-Prinzip sind ideal zur Überwachung großer Bereiche geeignet. Tastende Lichtleitbänder hingegen sind besonders effektiv bei der Erkennung heterogener Objekte und können durch die Auswertung des zurückgestrahlten Lichts auch für messende Anwendungen genutzt werden.
Miniatur
Sensorköpfe im Miniaturformat sind insbesondere für Anwendungen unter den beengtesten Platzverhältnissen geeignet.
Gewinde
Glatt
Das ist beim Einbau von faseroptischen Sensoren zu beachten
Länge und Ablängen
Lichtleiter sind in verschiedenen Längen verfügbar. Kunststofflichtleiter können kundenseitig zugeschnitten werden, Glaslichtleiter nur industriell, da sie nach dem Schnitt geschliffen und poliert werden müssen. Die Länge beeinflusst die Tastweite kaum, aber längere Lichtleiter lassen weniger Licht durch.
Tipp: Lichtleiter aus Glasfaser passend auswählen.
Tastweite
Lichtleiter haben aufgrund des großen Öffnungswinkels nur geringe Tastweiten. Höhere Tastweiten können durch größere Faserbündel-/ Kerndurchmesser oder durch Linsen erreicht werden, die das Licht fokussieren.
Tipp: Lichtleiter vorwiegend für kurze Reichweiten und die Erkennung von Kleinstteilen verwenden.
Biegeradius
Lichtleiter sind flexibel, aber minimale Biegeradien müssen eingehalten werden, um Schäden und Lichtverluste zu vermeiden. High-Flex Kunststofflichtleitkabel eignen sich für enge Biegeradien oder bewegte Montagen. Generell gilt: Kleinere Durchmesser erlauben geringere Biegeradien.
Tipp: Montage von High-Flex Lichtleitkabeln.
Temperatur
Kunststoff- und Glasfaserlichtleiter unterscheiden sich in ihrer Temperaturbeständigkeit. Bei über 85 °C sollten Glasfaserlichtleiter mit Edelstahl- oder Silikonmantel verwendet werden.
Tipp: Dank individueller Längen kann die Auswerteeinheit auch im Schaltschrank platziert werden.
Ausrichtung Taster
Beim Tastprinzip sollten Sender und Empfänger bei seitlicher Annäherung im 90°-Winkel zum Prüfobjekt installiert werden, um ein gleichmäßiges Ein- und Ausschaltverhalten zu gewährleisten.
Tipp: Eine planare Ausrichtung zum Objekt führt zu einem Offset mit verzögertem Ein- und Ausschalten.
Kabel mit dediziertem Sender
Bei Lichtleiterköpfen mit koaxialem Lichtaustritt und bei bestimmten Lichtleitbändern sollte die korrekte Zuordnung von Sender am Lichtleiterkopf zu Sender am Verstärker unbedingt beachtet werden.
Tipp: Die Verstärker sind hierzu mit Pfeilen gekennzeichnet.
Branchen und Industrien, in denen faseroptische Sensoren eingesetzt werden
Welche Objekte können faseroptische Sensoren nicht optimal erkennen?
- Wasser und andere klare Flüssigkeiten, die das Licht stark absorbieren oder durch Brechung seinen Weg verändern, können zu ungenauen Messungen führen.
- Hochtransparente Objekte wie klares Glas, die das Licht vollständig durchlassen, ohne es zu reflektieren, erschweren die Detektion.
- Tiefschwarze Objekte, die das einfallende Licht stark absorbieren und kaum oder gar nicht reflektieren, behindern die Signalrückführung zum Sensor.
- Stark glänzende Objekte, die das Licht in unvorhersehbare Richtungen reflektieren, verhindern eine präzise Objekterkennung.
