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Technology of Fiber-Optic Sensors

Fiber-optic sensors detect objects and conditions by directing light to a test object and evaluating the intensity change of the returning light. They can detect very small objects, are particularly flexible to mount and are extremely resistant in harsh environments – even in high temperatures, humidity or wet media. 
Definition
Technology Comparison
Fiber-Optic Amplifiers
Lichtleiter
Modes de fonctionnement
Têtes de câbles à fibre optique
Installation
Branchen

What Are Fiber-Optic Sensors?

Fiber-optic sensors use the physical properties of light when transmitting it via fiber-optic cable with glass or plastic fibers to detect objects. They consist of a fiber-optic amplifier and fiber-optic cables with or without optics. The fiber-optic amplifier contains the light source and the receiving element as well as the processing unit of the sensor. The fiber-optic cables are only intended to transmit and receive light. Since fiber-optic cables do not contain electronic components, fiber-optic sensors are particularly suitable for applications in confined spaces, harsh environments or where other sensors cannot be used.

   

How Do Fiber-Optic Sensors Work?

Fiber-optic sensors measure different light sizes such as wavelength and intensity in order to derive other measured values from them. In industrial automation, the energetic principle is often used. The emitter, usually an LED light source, couples light into a fiber-optic cable. The light exits at the end of the fiber-optic cable and either hits an object which reflects it back (sensing/reflection principle) or it is detected directly by a receiver (through-beam principle). The returned light is then directed to the analysis module, where a photodiode measures the amount of light received. The electronics constantly compare this amount of light with a defined threshold value and switch the output of the sensor accordingly.

What Are the Advantages of Fiber-Optic Sensors?

Flexible Installation

Fiber-optic sensors are extremely compact and ideal for installation in confined industrial environments. In addition, the high flexibility and low attenuation of the fiber-optic cables also make larger transmission distances possible.

High Reliability

Fiber-optic sensors are extremely durable and ensure reliable performance even under harsh ambient conditions such as high temperatures, humidity and aggressive media such as cooling lubricants or cleaning agents. 

Electromagnetic Compatibility

In fiber-optic cables, signal transmission is purely optical, which eliminates the challenges associated with EMC for fiber-optic sensors. They are also extremely insensitive to electromagnetic interference.

Fiber-Optics vs. Small Photoelectrics: Technology Overview

 
Fiber-optic cable Small photoelectrics
Measurement range
 
Ambient temperature
 
Mounting effort
Detection of transparent objects
 
Small parts detection
Flexibility and customization
 

What Are Fiber-Optic Amplifiers?

Fiber-optic amplifiers, also known as optical amplifiers, are components that amplify signals in optical communication systems and play a key role in fiber-optic communication. Here, they increase the transmission range.

In the context of industrial automation, fiber-optic amplifiers are sensors that use fiber-optics such as glass fibers or plastic fiber-optics to measure various physical variables such as pressure, temperature, expansion and the presence or position of objects. They utilize the ability of fiber-optics to transmit light, detecting changes in the spectrum or amount of light.


What Does Multi Unit Mean?

A sensor network, also known as a multi unit, consists of several sensors that can communicate directly with each other. The sensors do not interfere with each other, even if they are close to each other or opposite each other and inspecting the same object. This enables efficient coordination and collaboration between the sensors. In addition, the sensor network minimizes the need for cabling, as only one cable is required for the connection to the IO-Link master. The signal levels and switching channels of all connected sensors are transmitted via the IO-Link process data, a connection cable and a port on the IO-Link master. This optimizes data transfer and significantly reduces cabling and installation effort.
Ausrichtungsmodus Lichtleiter-Verstärker P1XD

Was ist der Ausrichtungsmodus?

Für eine zuverlässige Objekterkennung müssen Lichtleiter exakt auf das Ziel ausgerichtet werden. Insbesondere beim Einsatz des Schrankenprinzips sollten Sender und Empfänger möglichst genau axial zueinander positioniert sein. Da die Verstärker- oder Auswerteeinheit häufig im Schaltschrank oder außerhalb des Sichtbereichs installiert ist, erfolgt die Einrichtung oft nach Sicht und Einschätzung der Bediener. Der Ausrichtungsmodus visualisiert die Signalstärke durch ein Pulsieren des Sendelichts. Ähnlich wie bei Parksensoren im Auto nimmt die Pulsfrequenz zu, je stärker das empfangene Signal ist. Der Sensorkopf wird so lange in Winkel und Achse justiert, bis die optimale Ausrichtung mit dem maximalen Signal erreicht ist. Dadurch kann die Einrichtung auch bei größeren Entfernungen zwischen Sender und Empfänger effizient und präzise erfolgen.

Wofür braucht man einen Hutschienenadapter?

Die Verstärker-Einheit wird üblicherweise auf standardisierten DIN-Rails, auch Hutschienen genannt, montiert. Die Installation erfolgt werkzeuglos, indem die Verstärker einfach und zeitsparend auf der Schiene eingerastet werden. Bei der Verwendung des Multi-Unit-Betriebs können dadurch mehrere Lichtleiter-Verstärker platzsparend und rutschfest nebeneinander im Schaltschrank angeordnet werden.

Lichtfarben faseroptische Sensoren wenglor

Welche Vorteile haben unterschiedliche Lichtarten?

Abhängig von den spezifischen Anforderungen der Anwendung nutzen faseroptische Sensoren von wenglor rotes, blaues, pinkes oder infrarotes Licht.

  • 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?

Lichtleiter sind optische Fasern, welche aus einem lichtführenden Kern und einem Mantel bestehen, die jeweils einen unterschiedlichen Brechungsindex aufweisen. Hierbei wird das Licht durch Totalreflexion an der Ummantelung nahezu verlustfrei durch den Kern transportiert. Beim Austritt aus dem Lichtleiter wird das Licht unter einem Öffnungswinkel von etwa 60 Grad gestreut.
 
Lichtbrechung in Lichtleitern

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:
 
n = v/c

Was ist der Öffnungswinkel?

Der Öffnungswinkel bezieht sich auf den Winkel, unter dem Licht aus der Lichtleitfaser austritt. Ein großer Öffnungswinkel bietet den Vorteil, dass er eine zuverlässige Erkennung selbst von heterogenen Objekten in geringem Abstand ermöglicht. Zudem ist die Handhabung unkompliziert, da die Ausrichtung des Geräts nicht maßgeblich ist. Allerdings verteilt sich die Lichtleistung schnell auf einer großen Fläche, was die Reichweite verringert, da das Licht nicht gebündelt bleibt.

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 Kunststoff eignen sich ideal für die Objektdetektion in Applikationen mit geringem Platzbedarf. Glasfaser-Lichtleiter hingegen bewähren sich in anspruchsvollen Umgebungsbedingungen mit hohen Temperaturen und bieten chemische Beständigkeit. Durch diese und weitere Vorteile dieser Materialien eröffnen sich zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten, die den verschiedensten Anforderungen gerecht werden.
Lichtleitkabel aus Glasfaser

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
Lichtleitkabel aus Glasfaser

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

Bei diesem Reflexionstyp verlaufen die Fasern parallel zueinander, um Lichtsignale zu übertragen. Diese Faseranordnung ist sowohl als Kunststoff- als auch als Glasfaserlichtleiter verfügbar und wird in den meisten Standardanwendungen eingesetzt.


 

Koaxiale Fasern

Der Reflexionstyp koaxial ist eine hochpräzise Messmethode, die aus einem Kern (Sender) und einem umgebenen Bereich (Empfänger) besteht. Bei diesem Typ spielt die Eintrittsrichtung des Prüfobjekts in den Messbereich keine Rolle für die Position des faseroptischen Sensors.

 

Gemischte Fasern

Der Reflexionstyp gemischt bezieht sich auf eine Glasfaserstruktur, bei der viele Sende- und Empfangsfasern ohne Trennung angeordnet sind. Die Position und der Abstand des Lichtleiters zum Objekt sind hierbei weniger relevant. Der Bildbereich ist sehr klein oder nicht vorhanden.

Effekt Faserduchmesser / -bündeldurchmesser

Je größer der Durchmesser des lichtführenden Kerns, desto mehr Licht kann durch das Kabel transportiert werden. Dies führt zu größeren Reichweiten und einer verbesserten Erkennung von tiefschwarzen Objekten. Für bestimmte Lichtleiterköpfe, wie z. B. Lichtleitbänder, werden daher mehr Fasern und folglich ein größerer Durchmesser benötigt.

Was sagt der Biegeradius aus?

Der Biegeradius bestimmt, wie stark ein Kabel gebogen werden kann, ohne dass es beschädigt oder die Signalqualität beeinträchtigt wird. Wenn ein Lichtleiter übermäßig gebogen wird, besteht das Risiko, dass der Fasermantel im Kabel bricht und Licht aus dem Faserkern austritt. Dies kann nicht nur zu einer erhöhten Dämpfung sondern auch zu Mikrorissen im Faserkern führen, was dauerhafte Schäden zur Folge hat. Daher ist es insbesondere bei Lichtleitern aus Glasfaser wichtig, den Biegeradius zu beachten.

Wie sind Lichtleiter aufgebaut?

Kunststofflichtleitkabel

Fibres optiques verre

Quels types de gaines existe-t-il pour les câbles à fibre optique en fibre de verre ?

Plastique PVC

La variante la plus économique. Convient aux applications standard qui ne nécessitent pas de résistance particulière aux influences environnementales.

Acier inoxydable

Offre la meilleure protection contre les contraintes mécaniques. Moins flexible dans la pose, car des rayons de courbure plus grands sont nécessaires. Pas de protection contre les gaz ou les liquides.

Silicone

Résistance maximale aux milieux agressifs. Absolument étanche, de sorte que les fluides et les gaz ne peuvent pas pénétrer dans la gaine et endommager les fibres optiques. Conforme aux exigences de la FDA.

Quels sont les modes de fonctionnement des capteurs à fibre optique ?

Mode réflexion

En mode tactile, l’émetteur et le récepteur sont logés dans un boîtier. La lumière émise par l’émetteur frappe l’objet à contrôler et est renvoyée au récepteur. La détection de l’objet s’effectue sur la base de la quantité de lumière réfléchie qui atteint le récepteur du câble à fibre optique.

Mode barrage

Le modèle de cellule photoélectrique se compose d’un émetteur et d’un récepteur opposés. Dès que l’objet à contrôler traverse l’espace entre l’émetteur et le récepteur, la lumière du câble à fibre optique est interrompue. La détection s’effectue ensuite par diminution de l’intensité lumineuse reçue.

Barrage sur réflecteur

Avec le principe du barrage sur réflecteur, l’émetteur et le récepteur se trouvent dans un boîtier, tandis qu’un réflecteur est positionné du côté opposé. L’objet à contrôler est détecté lorsque la lumière réfléchie par le réflecteur est complètement interrompue ou réduite.

Bandes lumineuses

Les bandes lumineuses servent à surveiller certaines zones. Contrairement aux spots lumineux qui ne surveillent la présence d’un objet qu’à l’intérieur d’un point, les bandes lumineuses détectent des zones de plusieurs centimètres. Le capteur détecte l’objet dès que le signal est affaibli ou complètement interrompu.

Comparaison du réajustement dynamique et de la détection des sauts

Le réajustement dynamique et la détection de saut conviennent à la détection fiable d’objets dans des conditions environnementales changeantes. Lors du réajustement dynamique, une valeur de seuil quasi fixe est utilisée, tandis que la détection de saut n’a pas de valeur de seuil et analyse exclusivement les modifications du signal.

Point de commutation fixe

Le mode de fonctionnement le plus courant d’un capteur est basé sur un point de commutation fixe. Le capteur détermine la valeur de seuil ou le point de commutation selon une logique d’apprentissage prédéfinie pendant le processus d’apprentissage. Dans le cas de l’apprentissage normal, cette valeur de seuil ou ce point de commutation correspond par exemple à 50 % du signal actuel. Si les conditions ambiantes ainsi que les objets à détecter sont très constants, le mode de fonctionnement avec un point de commutation fixe offre la plus grande insensibilité aux perturbations, car les influences extérieures ne peuvent pas modifier le point de commutation : Si le signal est supérieur au seuil défini, la sortie est activée ; s’il est inférieur, la sortie reste inactive. Si le signal est modifié, par exemple en raison d’un encrassement, des erreurs de commutation permanentes peuvent se produire.

Réajustement dynamique

Le réajustement dynamique est particulièrement adapté au mode réflexion avec arrière-plans statiques ainsi qu’au mode barrage. L’état non commuté doit prévaloir, car la valeur de seuil n’est réajustée que dans cet état. En cas d’encrassement de la tête du câble à fibre optique ou de l’arrière-plan, celui-ci est compensé par l’adaptation dynamique de la valeur de seuil.

Détection de saut

Lors de la détection de saut, les valeurs de signal absolues ne sont pas importantes. Au lieu de cela, le sens de la modification du signal (négatif, positif ou les deux sens), l’importance de la modification et la période considérée peuvent être pris en compte dans l’évaluation. Cela permet la détection d’objets très variables (par ex. couleur ou propriétés des surfaces) sur des arrière-plans non statiques (comme un convoyeur à encrassement lent) ainsi que la détection d’objets sans apprentissage préalable (par ex. en cas de changement de lot).

Vue d’ensemble des têtes de câbles à fibre optique

Coudé

Les têtes de capteurs coudées sont idéales pour les espaces exigus où l’axe optique et la sortie de câble doivent être orientés différemment. Grâce au filetage, les têtes de capteurs peuvent être facilement vissées dans des trous préparés ou fixées à un angle ou à une tôle à l’aide de deux écrous.

Type L

Le type L permet un montage facile à l’aide de deux vis et offre des positions prédéfinies des axes optiques. Grâce au grand angle d’ouverture des câbles à fibre optique, un alignement précis n’est pas nécessaire.
 

Plate

Les têtes de capteurs plates s’intègrent facilement dans le fond du porte-pièce. La flexibilité de la sortie de câble sur la tête du capteur permet un acheminement facile du câble vers la gauche, la droite ou l’arrière.

Flexible

The thin, long metal sensor lance can be adapted to the specific requirements of the respective application by simple bending.

Fiber-Optic Cable Bands

Fiber-optic cable bands in through-beam mode are ideal for monitoring large areas. Reflex fiber-optic cable bands, on the other hand, are particularly effective for detecting heterogeneous objects and can also be used for measuring applications through the evaluation of the reflected light.

Miniature

Miniature sensor heads are particularly suitable for applications in the tightest of spaces.

Thread

Threaded sensor heads allow for quick and easy installation. They can either be screwed directly into pre-drilled holes or fixed to brackets or plates using two nuts.

Smooth

Smooth sensor heads are ideal for use in confined spaces and can be inserted or glued into prefabricated mounting brackets.

The Following Must Be Observed when Installing Fiber-Optic Sensors

To ensure reliable object detection and accurate measurement data, the following instructions should be observed when installing the sensor.

Length and Cutting

Fiber-optic cables are available in various lengths. Plastic fiber-optic cables can be cut to size by the customer, glass fiber-optic cables only industrially, as they must be ground and polished after cutting. The length has little effect on the detection range, but longer fiber-optic cables let less light through.


Tip: Select a suitable glass fiber-optic cable.

Detection Range

En raison du grand angle d’ouverture, les câbles à fibre optique présentent de faibles plages de détection. Des plages de détection plus élevées peuvent être obtenues grâce à des faisceaux de fibres/diamètres de cœur plus grands ou à des lentilles qui focalisent la lumière.


Conseil : Utiliser les câbles à fibre optique principalement pour les courtes portées et la détection des plus petites pièces.

Rayon de courbure

Les câbles à fibre optique sont flexibles, mais des rayons de courbure minimaux doivent être respectés pour éviter les dommages et les pertes de lumière. Les câbles à fibre optique en plastique ultra flexible conviennent aux rayons de courbure étroits ou aux montages mobiles. En règle générale : Des diamètres plus petits permettent des rayons de courbure plus petits.

Conseil : Monter des câbles à fibre optique ultra flexibles.

Température

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

Ausrichtung der Lichtleiter im Tastprinzip

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

Lichtleitkabel 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.

使用光纤传感器的领域和行业

Dans le cadre de la fabrication de profilés métalliques, la présence et les dimensions des objets doivent être détectées avant leur immobilisation par un dispositif de serrage. Les profilés peuvent être noirs, blancs, chromés, brillants ou mats. Dans les espaces confinés, on utilise à cet effet des rideaux de câbles à fibre optique en fibre de verre, qui fonctionnent selon le principe émetteur-récepteur, ainsi qu’un capteur reflex universel. Les fibres optiques sont disposées sur une ligne, créant ainsi une bande lumineuse. La largeur est mesurée, le signal linéaire est émis proportionnellement à la couverture de la fibre optique et permet de déterminer la position correcte.

Which Objects Cannot Be Optimally Detected by Fiber-Optic Sensors?

  • Water and other clear liquids that absorb light strongly or change its path through refraction can lead to inaccurate measurements.
  • Highly transparent objects such as clear glass, which allow light to pass through completely without reflecting it, make detection more difficult.
  • Deep black objects that absorb the incoming light heavily and hardly or not reflect at all hinder the signal return to the sensor.
  • Extremely shiny objects that reflect light in unpredictable directions prevent accurate object detection.
     
 

 
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