Was sind Lichtsensor? Grundlagen optischer Sensoren und Eigenschaften der einzelnen Entfernungsmessverfahren

Was sind optische Sensoren und wofür werden sie verwendet?

Optische Sensoren erfassen die Lichtintensität und wandeln sie in elektrische Signale um. Sie arbeiten nicht nur mit sichtbarem, sondern auch mit unsichtbarem Licht, beispielsweise Nahinfrarotstrahlen, die vom menschlichen Auge nicht wahrgenommen werden können. Optische Sensoren werden für verschiedene Detektionsaufgaben eingesetzt, beispielsweise in der Fabrikautomation, in Sicherheitssystemen, automatischen Türen und zur Anpassung der Bildschirmhelligkeit von Smartphones.
Es gibt weitere Sensortypen wie Drucksensoren, Winkelsensoren und Beschleunigungssensoren für verschiedene Zielobjekte. Optische Sensoren eignen sich jedoch besonders gut zur Objekterkennung.
Optische Sensoren bestehen hauptsächlich aus Lichtsendern und Lichtempfängern. Das Licht des Lichtsenders trifft auf ein Objekt, und der Lichtempfänger erfasst die Intensität des reflektierten oder transmittierten Lichts, um die Anwesenheit des Objekts zu erkennen. Sensoren nutzen dieses Prinzip, um festzustellen, ob sich ein Produkt in einer Produktionslinie befindet, die Anzahl der Motorumdrehungen zu messen, Abmessungen zu ermitteln und vieles mehr. Sie ersetzen das menschliche Auge durch hochpräzise Erkennung und tragen so zur Qualitätssicherung und Automatisierung industrieller Maschinen bei.

Fünf Hauptmerkmale optischer Sensoren

Optische Sensoren haben die folgenden fünf Eigenschaften.

1. Berührungslose Messung
   Optische Sensoren erfassen Objekte berührungslos. Dies ermöglicht Messungen ohne Beschädigung des Objekts und eignet sich daher besonders für den Einsatz bei empfindlichen Materialien und Oberflächen sowie in Umgebungen mit hohem Hygienestandard. Sie eignen sich auch zur Erfassung bewegter Objekte und in anspruchsvollen Umgebungen wie hohen Temperaturen oder hohem Druck. Im Vergleich zu Kontaktsensoren unterliegen sie weniger Reibung und Verschleiß und bieten den Vorteil einer längeren Lebensdauer. Sie werden häufig in Bereichen eingesetzt, die saubere Umgebungen erfordern, wie beispielsweise in der Lebensmittelindustrie, der Pharmaindustrie und der Halbleiterfertigung.
   
2. Schnelle Reaktion
   Da es mit Lichtgeschwindigkeit arbeitet, ist es zu extrem schnellen Reaktionen im Mikrosekundenbereich fähig. Aufgrund dieser Eigenschaft eignen sie sich für den Einsatz in Hochgeschwindigkeitsproduktionslinien und Qualitätskontrollsystemen. Sie können beispielsweise zum Erkennen kleiner herumfliegender Partikel oder zum Positionieren schnell bewegter Produkte eingesetzt werden. Es eignet sich auch für Echtzeit-Feedbacksteuerung und Hochgeschwindigkeitszählaufgaben. Diese hohe Geschwindigkeit wird auch zur Steuerung von Industrierobotern und zur Erkennung von Papierstaus in Hochgeschwindigkeitsdruckmaschinen genutzt.
   
3. Großer Erfassungsbereich
   Durch Ausnutzung der Geradlinigkeit des Lichts ist es möglich, Objekte über einen großen Bereich hinweg zu erkennen, von der Nähe bis hin zu großen Entfernungen. Durch den Einsatz von Linsen und Spiegeln lässt sich der Erfassungsbereich zusätzlich erweitern bzw. fokussieren. Diese Eigenschaft ermöglicht vielfältige Einsatzmöglichkeiten, von der Erkennung kleiner Teile bis hin zur Positionsmessung großer Objekte. Da ein einzelner Sensor zudem einen großen Bereich abdecken kann, verringert sich die Anzahl der erforderlichen Sensoren, was zur Kostensenkung beiträgt. Die Einsatzmöglichkeiten sind vielfältig, beispielsweise bei Einbruchmeldeanlagen für Gebäude oder bei der Objekterkennung in großen Lagerhallen.
   
4. Verschiedene nachweisbare Eigenschaften
   Optische Sensoren können nicht nur die Anwesenheit eines Objekts erkennen, sondern auch verschiedene Eigenschaften wie Farbe, Transparenz, Reflektivität und Form. Diese Vielseitigkeit macht sie für komplexe Aufgaben wie Produktqualitätskontrolle, Kategorisierung und Identifizierung geeignet. Die Lebensmittelindustrie nutzt sie beispielsweise zur Fremdkörpererkennung und die Automobilindustrie zur Überprüfung der Lackqualität. Sie werden auch zum optischen Lesen von Informationen wie Barcodes und QR-Codes eingesetzt. Durch die Wahl der Lichtwellenlänge können optische Sensoren zudem nicht nur sichtbares Licht, sondern auch Infrarot- und Ultraviolettlicht zur Erkennung nutzen.
   
5. Empfindlich gegenüber Umweltfaktoren
   Optische Sensoren werden leicht durch Umweltfaktoren wie Umgebungslicht, Staub, Feuchtigkeit und Vibrationen beeinflusst. Eine geeignete Positionierung und ein entsprechender Schutz sind daher unerlässlich. Insbesondere an Orten mit wechselnden Lichtverhältnissen, wie im Freien oder in Fabriken, sind Maßnahmen zur Vermeidung von Erkennungsfehlern wichtig. Filter und eine sorgfältige Sensorpositionierung können die Auswirkungen dieser Faktoren reduzieren. Maßnahmen wie die Verbesserung der Staub- und Wasserbeständigkeit des Sensors und die Temperaturkompensation können ebenfalls hilfreich sein. Regelmäßige Wartung und Kalibrierung sind zudem wichtig, um eine stabile Leistung zu gewährleisten.

Verschiedene Entfernungsmessverfahren für optische Sensoren

Im Folgenden werden die wichtigsten Entfernungsmessverfahren für optische Sensoren und ihre Eigenschaften beschrieben. Diese Verfahren lassen sich grob in zwei Typen unterteilen: Einweg- und Reflexionssensoren. Reflexionssensoren werden weiter in vier verschiedene Verfahren unterteilt. In den folgenden Abschnitten werden wir jede Methode im Detail untersuchen.

・Einwegstrahltyp

Bei Einweglichtschranken befinden sich Lichtsender und Lichtempfänger gegenüberliegend. Das Objekt wird beim Passieren der beiden Sensoren erfasst. Diese Methode ermöglicht eine hochpräzise Erkennung und ist weniger von Hintergrundeinflüssen abhängig. Sie kann transparente Objekte erkennen und eignet sich für die Erkennung in einem weiten Entfernungsbereich von einigen zehn Zentimetern bis zu einigen zehn Metern. Aus diesen Gründen und aufgrund ihres stabilen Betriebs wird diese Methode in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Sender und Empfänger müssen präzise ausgerichtet sein. Dabei ist zu beachten, dass der Erfassungsbereich auf eine gerade Linie beschränkt ist.

Hauptanwendungen: Erkennen der Anwesenheit oder Abwesenheit von Produkten an Produktionslinien, Sicherheitsvorrichtungen für Aufzugstüren, Erkennung menschlicher Körper in automatischen Türen usw.

Reflektierender Typ

Bei reflektierenden optischen Sensoren befinden sich Sender und Empfänger auf derselben Seite. Die Objekterkennung erfolgt über das von den Zielobjekten reflektierte Licht. Reflexionssensoren verwenden vier verschiedene Methoden.

A. Diffuser Reflexionstyp

Der diffus reflektierende Typ führt die Erkennung durch Ausnutzung des vom zu erkennenden Objekt reflektierten Lichts durch. Da das gesamte System in einer einzigen Geräteeinheit enthalten ist, ist es einfach zu installieren und kann Objekte unterschiedlicher Formen und Materialien erkennen. Die Erkennungsdistanz ist kürzer als beim Einweglichtschrankentyp, sodass er für die Erkennung im Nahbereich geeignet ist. Darüber hinaus können die Erkennungsfähigkeiten je nach Farbe und Oberflächenbeschaffenheit des Objekts variieren.

Anwendungen: Erkennung des Vorhandenseins/Fehlens von Teilen an Produktionslinien, Produkterkennung an Verpackungslinien, Positionierung von Roboterarmen usw.

b. Art der Distanzeinstellung

Optische Sensoren zur Distanzmessung messen präzise die Entfernung zum Zielobjekt und ermitteln, ob sich Ziele innerhalb eines festgelegten Bereichs befinden. Diese Sensoren messen die Distanz mittels Triangulation. Der Sensor sendet Licht in einem bestimmten Winkel aus, und das vom Testobjekt reflektierte Licht gelangt in den Empfänger. Dieser erkennt die Eintrittsposition des reflektierten Lichts und berechnet anhand der Positionsinformationen, des Eintrittswinkels und trigonometrischer Funktionen die Distanz zum Testobjekt. Dies ermöglicht eine hochpräzise Distanzmessung, die von Farbe oder Kontur des Testobjekts unbeeinflusst bleibt.

Anwendungen: Teilepositionierung an Fließbändern, Bestandsverwaltung in Lagern, Einparkhilfesysteme für Autos usw.

c. Retroreflektierender Typ

Der retroreflektierende Typ verwendet einen speziellen Reflektor und erkennt das Zielobjekt, wenn das vom Reflektor reflektierte Licht durch das zu prüfende Objekt blockiert wird. Es verfügt über die Eigenschaften der Fernerkennung, weist eine stabile Erkennungsleistung auf und ist für die Erkennung kleiner Objekte geeignet.

Anwendungen: Positionserkennung von Großmaschinen in Fabriken, Erkennung vorbeifahrender Gepäckstücke in Logistikzentren, Bahnübergangskontrollsysteme

d. Begrenzter Reflexionstyp

Beim begrenzt reflektierenden Typ handelt es sich um eine Methode, die nur Objekte in einer bestimmten Entfernung erkennt. Die Licht emittierenden und Licht empfangenden Abschnitte sind getrennt und so installiert, dass sich ihre optischen Achsen diagonal schneiden. Dadurch kann nur das reflektierte Licht von Objekten innerhalb eines bestimmten Bereichs (Erkennungsbereich) erkannt werden, in dem sich die Lichtemissionsachse und die Lichtempfangsachse kreuzen. In der obigen Abbildung kann Objekt (a) erkannt werden, Objekt (b) jedoch nicht. Da der Hintergrund und Objekte außerhalb des Erfassungsbereichs ignoriert werden können, ist eine stabile Erfassung auch in komplexen Umgebungen möglich.

Anwendungen: Erkennen von Objekten auf Förderstrecken etc.

Auswahl des optimalen optischen Sensors

Jede dieser Entfernungsmessverfahren weist ihre eigenen Eigenschaften, Vor- und Nachteile auf und je nach Anwendung wird das am besten geeignete Verfahren ausgewählt. Beispielsweise eignen sich diffuse Reflexionssensoren für die allgemeine Objekterkennung in Produktionslinien, während Reflexions- oder Distanzsensoren gewählt werden können, wenn eine Erkennung über große Entfernungen oder eine hochgenaue Positionierung erforderlich ist.

Darüber hinaus haben jüngste technologische Fortschritte zur Entwicklung von Hybridsensoren geführt, die diese grundlegenden Methoden mit hochpräzisen Laser-Entfernungsmesssensoren kombinieren. Diese Sensoren erfüllen die Anforderungen zunehmend komplexer Umgebungen und Anwendungsfälle. Bei der Auswahl optischer Sensoren müssen die Eigenschaften der Zielobjekte (wie Größe, Form, Material und Farbe), die Erfassungsdistanz, die Umgebungsbedingungen (wie Licht, Temperatur und Luftfeuchtigkeit), die erforderliche Präzision und Reaktionsgeschwindigkeit usw. umfassend berücksichtigt werden. Haltbarkeit und Zuverlässigkeit sind ebenfalls wichtige Faktoren für den industriellen Einsatz.

Die Auswahl optimaler optischer Sensoren sowie deren fachgerechte Installation und Einstellung tragen maßgeblich zu höherer Produktivität, verbesserter Qualitätskontrolle, erhöhter Sicherheit und vielem mehr bei. Leistung und Funktionalität optischer Sensoren entwickeln sich mit dem technologischen Fortschritt stetig weiter, und die Erwartungen an künftige, noch breitere Anwendungsmöglichkeiten sind hoch.