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Schulungsunterlagen

Optische Sensoren

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weitere Informationen, Datenblätter, Preise usw. finden Sie hier: www.ifm-electronic.com

Schulungsunterlagen Optische Sensoren (Stand März 2003) P:\daten\Texte\200\Se200k.doc 27.10.06 12:48

Hinweis zur Gewährleistung

Dieses Handbuch wurde unter Beachtung der größtmöglichen Sorgfalt erstellt. Gleichwohl kann keine Garantie für dieRichtigkeit des Inhaltes übernommen werden.

Da sich Fehler trotz intensiver Bemühungen nie vollständig vermeiden lassen, sind wir für Hinweise jederzeit dankbar.

Im übrigen behalten wir uns technische Änderungen der Produkte vor, so dass sich auch insoweit Abweichungen vondem Inhalt der Seminarunterlagen ergeben können.

Optische Sensoren

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Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung 6

1.1 Optische Sensoren im industriellen Einsatz 6

1.2 Schreibweise 8

1.3 Zum Inhalt 8

2 Licht 10

2.1 Elektromagnetische Wellen 10

2.1.1 Natur des Lichts 10

2.1.2 Bereiche der Wellenlänge 12

2.1.3 Entstehung von Licht 15

2.1.4 Das Strahlungsspektrum 18

2.2 Strahlung und Temperatur 21

2.2.1 Schwarze Strahler 21

2.2.2 Emission 21

2.2.3 Reflexion und Farbe 22

2.3 Laser 24

2.3.1 Bedeutung 24

2.3.2 Eigenschaften 25

2.3.3 Begriffe 27

2.3.4 Lasersensoren 28

2.4 Brechung 29

3 Eigenschaften der optischen Sensoren 32

3.1 Vergleich mit anderen Sensorarten 32

3.1.1 Eingrenzung 32

3.1.2 Störfestigkeit der Sensorarten 33

3.1.3 Entfernungsbereiche von Sensorsystemen 33

3.2 Die Einweglichtschranke 34

3.2.1 Funktionsweise 34

3.2.2 Hinweise zum praktischen Einsatz von ELS 38

3.3 Die Reflexlichtschranke 43

3.3.1 Funktionsweise 43

3.3.2 Hinweise zum praktischen Einsatz von RLS 483.3.2.1 Geräte mit Polfilter 483.3.2.2 Lasergeräte und Tripelspiegel 50

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3.3.2.3 Tripelspiegel 513.3.2.4 Zusammenfassung 53

3.4 Der Reflexlichttaster 54

3.4.1 Funktionsweise 54

3.4.2 Hinweise zum praktischen Einsatz von RLT 563.4.2.1 Tastweite 563.4.2.2 Einstellung 583.4.2.3 Hintergrundausblendung 603.4.2.4 Zusammenfassung 64

3.4.3 Geräte mit speziellen Eigenschaften 65

3.5 Fiberoptiken 67

3.5.1 Typische Einsatzfälle 67

3.5.2 Funktionsweise 68

3.5.3 Hinweise zum praktischen Einsatz von Lichtleitern 71

3.6 Hell- und Dunkelschaltung 73

3.7 Funktionsreserve 76

3.7.1 Bedeutung 76

3.7.2 Einstellung 78

3.8 Schaltfrequenz 80

4 Optische Sensoren der ifm 83

4.1 Technik 83

4.1.1 Realisierung (Schaltung) 83

4.1.2 Betriebssicherheit und Vorausfall 85

4.2 Strom- und Spannungsbereiche 91

4.2.1 Reststrom, Mindestlaststrom und Spannungsfall 92

4.2.2 Anschluss 92

4.3 Bedienung 97

4.3.1 Einstellung der Reichweite 974.3.1.1 OG als ELS 984.3.1.2 OG als RLS 984.3.1.3 OG als RLT 1004.3.1.4 OGH als RLT mit Hintergrundausblendung 1024.3.1.5 Anzeigen und weitere Einstellungen 102

4.3.2 Zeitfunktionen 106

4.4 Mechanische Eigenschaften 112

4.4.1 Bauformen und Reichweiten 112

4.4.2 Montage 112

4.4.3 Umlenkspiegel 122

4.5 Übersicht 122

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5

4.6 Geräte mit besonderen Eigenschaften 125

4.6.1 Seitlich oder frontal 125

4.6.2 Externer Verstärker 125

4.6.3 Kontrasttaster 127

4.6.4 Farbsensor 128

5 Infrarotsensoren 131

5.1 Funktionsprinzip 131

5.1.1 Strahlung 131

5.1.2 Emissionsgrad 132

5.1.3 Technik 133

5.2 Hinweise zum praktischen Einsatz 135

5.2.1 Öffnungswinkel 135

5.2.2 Einstellung beim OWI 139

5.2.3 Bedingungen für die Anwendung 140

6 Applikationen 143

6.1 Optische Sensoren 143

6.1.1 Gerätetypempfehlungen 143

6.1.2 Anwendungsbeispiele 144

6.2 IR-Sensoren 150

Anhang 159

Typenschlüssel 159

Produktionscode 161

Tabelle Emissionsgrad 162

Tabelle Reichweite auf Tripelspiegel 164

Kleines technisches Lexikon 168

Index 172

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6

1 Einleitung

1.1 Optische Sensoren im industriellen Einsatz

Wozu? Optische Sensoren, manchmal auch optoelektronisch genannt, sind un-verzichtbare Komponenten in fast allen automatisierten Herstellungspro-zessen geworden.

Dort wo Teile sicher und schnell erfasst, positioniert oder gezählt werdensollen, kommen optische Sensoren zum Einsatz.

Von den vielfältigen Applikationen soll hier zunächst nur ein Beispiel ge-zeigt werden. Weitere Applikationen sind weiter unten zu finden (siehe z.B. 6.1.2).

Abbildung 1: Kanten- und Durchhangüberwachung

Was wird hier überwacht? Das Beispiel zeigt die Vielfalt der möglichen Anwendungen. Überwachtwird, ob das Material gerade läuft und ob es weit genug durchhängt.Dieser Durchhang bildet sozusagen einen Puffer, damit, bei einer Störungdes Ablaufs, oder bei plötzlichem Stopp, das Material nicht reißt. Die Viel-falt bezieht sich hier auf die Branchen, bei denen diese Anwendung vor-kommt:  Papierherstellung  Papierverarbeitung (Druckerei, Verpackungsindustrie)  Kunststoffverarbeitung (Herstellung von Tragetaschen)  Textilindustrie usw.

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Der Marktbereich der Optoelektronik ist als der größte Bereich innerhalbder binären Positionssensorik anzusehen. Tendenziell wird sich der Marktvergrößern. Prognostiziert sind Marktsteigerungen von ca. 8 - 9% jähr-lich.

BeispieleBauform Zubehör Marktsegment

OF --- VerpackungsindustrieOBF Fiberoptiken Verpackungsindustrie und

AutomationOG Systemkomponenten

BefestigungVerpackungsindustrie;Lebensmittelindustrie

OL Befestigungstechnik FördertechnikOJ Montagekomponenten Lebensmittelindustrie

Zum Standard heutiger moderner optischer Sensoren gehört die präziseOptik in Verbindung mit intelligenter Elektronik. Beide Teilkomponentenwerden in robusten Gehäusen aus widerstandsfähigem Kunststoff oderMetall integriert. Die technischen Probleme früherer Sensorgenerationenwie Fremdlichtbeeinflussung oder kurze Reinigungs- und Wartungsinter-valle sind heute weitgehendst beseitigt.

Drei physikalische Grundprinzipien mit jeweils diversen Untergruppen er-möglichen die Lösung vielfältiger Probleme in unterschiedlichsten Appli-kationen. Die richtige Auswahl des Grundprinzips und der Bauform ist fürdie sichere Funktion von großer Bedeutung. Dabei ist die Tast- bzw.Reichweite ein Hauptkriterium für die Auswahl des geeigneten Sensors(siehe 3).

Aktuell und zukünftig

Komfort und Sicherheit Mehr Intelligenz in den Sensor zu bringen ist ein aktueller Trend (siehe z.B. 3.4.2). In Zukunft wird es kaum noch einen optischen Sensor ohneMikroprozessor geben. Das wird für den Anwender zu mehr Komfort beider Anwendung und speziell der Einstellung und zu weiter erhöhter Be-triebssicherheit führen.

Mechanik Ein weiterer Trend, der sich auch bei anderen Sensortypen zeigt, bestehtdarin, dass der Nutzen für den Anwender durch sinnvolles Zubehör zusteigern ist. Hier sind es Befestigungswinkel, die den Sensor auch gegenmechanische Beschädigung im rauen Einsatz schützen und Montagezu-behör, das die Ausrichtung und Justage erleichtert. Das wird auch des-halb immer wichtiger, weil die Sensoren durch den Einsatz von Mikropro-zessoren und Weiterentwicklung anderer Bauteile immer kompakterwerden. Sensoren mit vergleichbaren oder verbesserten Leistungsdatenwerden nur einen Bruchteil des Volumens früher entwickelter Geräte ein-nehmen.

Spezielle Anwendungen Geräte, wie z. B. der OL, werden durch robuste Haltewinkel tauglich fürAnwendungen in der Fördertechnik gemacht. Andere Geräte haben spe-zielle optische Eigenschaften für spezielle Einsatzfälle, z. B. Farbsensoren,Kontrasttaster oder Lasergeräte. Um deren Funktionsweise und Eigen-schaften besser zu verstehen, wurde das Kapitel über optische Grundla-gen stark erweitert.

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1.2 Schreibweise

Zum besseren Verständnis sollen einige Schreibweisen erläutert werden,die das Lesen des Texts und das Auffinden von Informationen darin er-leichtern sollen.

Stichworte Am linken Rand stehen Stichworte, die darauf hinweisen, welches Themaim folgenden Abschnitt behandelt wird.

Was bedeutet FAQ? Das bedeutet Frequently Asked Questions, also häufig gestellte Fragen.Das ist ein Begriff, der z. B. auch bei modernen elektronischen Medienverwendet wird. Fast jeder, der in ein neues Gebiet einsteigt, steht auchvor den selben Fragen. Gelegentlich werden sie an Stelle eines Stichwor-tes einem Absatz vorangestellt. Um sie von einfachen Stichworten zu un-terscheiden, werden sie in kursiver Schrift dargestellt.

( 4) Eine Ziffer in runden Klammern am linken Rand markiert eine Formel, aufdie im weiteren Text Bezug genommen wird, z. B. siehe ( 4). Diese For-meln sollen natürlich nicht alle auswendig gelernt werden. Sie sollen dasVerständnis des Stoffes erleichtern, weil eine Formel, ähnlich wie eineAbbildung, einen Zusammenhang viel kürzer und übersichtlicher be-schreibt als viele Worte.

1.3 Zum Inhalt

Die vorliegenden Unterlagen sollen die Grundlagen der optischen Senso-ren vermitteln. Wichtige Begriffe und Zusammenhänge werden erläutert,der aktuelle Stand der Technik wird beschrieben und technische Datender Geräte werden dargestellt. Daraus ergibt sich die Gliederung.

1. Einleitung Nach dieser Einleitung folgt das Kapitel:

2. Licht Hier wird auf die physikalischen Grundlagen kurz eingegangen, die fürein besseres Verständnis der Funktionsweise und der Eigenschaften spe-ziell von Laser- und Infrarot-Geräten nützlich sind. Es werden einigeGrundbegriffe und deren Zusammenhang beschrieben.

3. Eigenschaften der optischen SensorenHier wird die Eingrenzung auf binäre Sensoren angesprochen. Andere,komplexere Systeme, die auch im praktischen Einsatz sind werden ge-nannt. Es folgt ein allgemeinerer Überblick zu unterschiedlichen Sensor-systemen. Damit soll es u. a. erleichtert werden, optische Sensoren richtigeinzuordnen und auch zu entscheiden, wo diese eingesetzt werden kön-nen und wo nicht. Dann werden die drei Varianten der Sensoren mit ih-ren spezifischen Eigenschaften vorgestellt. Die Kenntnis dieser Eigen-schaften, der Vor- und Nachteile ist die Voraussetzung für ein sinnvollesGespräch mit Anwendern.

4. Beispiele für Geräte Hier werden beispielhaft Daten von Sensoren genannt und erläutert. Dermechanische Aufbau, die optischen und elektrischen Eigenschaften, dieAnwendung und Einstellung der Reichweite werden beschrieben. Außer-dem wird ein kurzer Überblick über einige Applikationen gegeben.

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Anhang Die vorliegenden Unterlagen sollen auch jeden beim Selbststudium unter-stützen. Begriffe, auf die man nicht so häufig trifft, werden daher imkleinen technischen Lexikon kurz erläutert. Die Punkte, die wesentlichsind werden in den vorangehenden Kapiteln ausführlicher erläutert. Dorthilft das Stichwortverzeichnis beim Nachschlagen. Wichtige Begriffe wer-den im Lexikon noch einmal kurz erklärt. Der Typenschlüssel und derCode für das Produktionsdatum werden ebenfalls kurz vorgestellt.

Viel Erfolg! Mit dieser Grundlage sollte jeder gerüstet sein, um die Chance, die opti-sche Sensoren bieten, auch wahrnehmen zu können, und diese erfolg-reich einzusetzen.

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2 Licht

Muss man das wissen? In diesem Kapitel soll kurz auf die physikalischen Grundlagen eingegan-gen werden. Es erleichtert das Verständnis des Funktionsprinzips und dieÜbersicht über die Gerätetypen und deren Einsatz, wenn man darüber et-was weiß, bzw. sich erinnert, was man darüber einmal gelernt hat. Be-sonders um zu verstehen, wie ein Lasergerät arbeitet, muss man etwasüber die Grundlagen wissen. Natürlich kann man ein solches Gerät aucheinsetzen, ohne zu wissen, was ein Laser ist. Um aber als kompetenterGesprächspartner mitreden zu können, ist ein Grundwissen erforderlich.Mit den folgenden Informationen versteht man auch besser die speziellenEigenschaften der Infrarotsensoren.

Diese Darstellung soll aber auch nicht zu umfangreich und theoretischsein. Es wird versucht, sich auf die wesentlichen Informationen zu be-schränken. Dazu muss auch gekürzt und vereinfacht werden.

2.1 Elektromagnetische Wellen

2.1.1 Natur des Lichts

Was ist Licht? Lange Zeit haben sich die Experten darüber gestritten, was Licht eigent-lich ist. Die einen, wie z. B. Newton, waren der Meinung, dass Licht auskleinen Teilchen, den Photonen, besteht. So ähnlich stellt man sich heutez. B. Elektronen vor.

Welle? Die andere Meinung besagte, dass Licht eine Welle ist, die sich ähnlichwie eine Wasserwelle verhält. Viele Experimente, deren Ergebnisse mannur mit Interferenz erklären kann, haben diese Meinung verstärkt. Inter-ferenz ergibt sich bei der Überlagerung von Wellen (vgl. Abbildung 2).Wenn ein Wellenberg auf ein Wellental trifft, ergibt sich Auslöschung.Wenn dagegen Berg auf Berg oder Tal auf Tal trifft, dann ergibt sich Ver-stärkung (siehe auch den Begriff �granular� in 2.3.2).

Dualität Die moderne Physik, die Quantenphysik, u. a. begründet auf Ideen vonEinstein, hat zu Beginn des 20. Jahrhunderts eine salomonische Lösunggefunden. Die Frage: �Welle oder Teilchen?� wird beantwortet mit: �daskommt darauf an� oder �sowohl als auch�. Dieses Konzept, das als Dua-lität bezeichnet wird, kann hier nicht vertieft werden. Es steht hier nur,um zu begründen, dass es kein Widerspruch ist, wenn der eine oder derandere Aspekt als Erklärung eines Phänomens herangezogen wird.

Deutung Dazu eine kurze Anmerkung: Die Physik ist eine sogenannte �exakte�Wissenschaft. Das wird häufig so verstanden, dass sie aus einem starrenSystem ewig gültiger Wahrheiten besteht, die durch schwer verständlicheFormeln ausgedrückt werden. Entsprechend abschreckend wirkt sie aufviele. Dabei wird übersehen, dass es auch in der Physik heiße Diskussio-nen um �Auslegungen�, um �Deutungen� gibt, was man eher von derTheologie gewohnt ist. Das zeigt, dass es auch spannend sein kann, sichmit solchen Grundlagen zu beschäftigen.

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Achtung Gefahr! Um z. B. die Gefährdung von Menschen durch Strahlung zu verstehen,muss man folgende beide Aspekte heranziehen. Eine Gefährdung kannauf zwei unterschiedlichen Arten auftreten.

  Intensität

Wenn man z. B. das Licht der Sonne in einem Brennglas bündelt, dannkann man sich Verbrennungen zuziehen, wenn der Lichtfleck auf dieHaut fällt. Wird Laserlicht gebündelt (im menschlichen Auge befindet sichauch eine Linse!) kann das auch zu Schäden führen (siehe 2.3.2). Aus-schlaggebend ist hier die gesamte Energiemenge pro Fläche. Andere Ei-genschaften, z. B. die Wellenlänge, sind dabei unerheblich.

  Wellenlänge

Diese hängt mit der Energie der Lichtteilchen zusammen. Je kürzer dieWellenlänge ist, desto höher ist die Energie. Aus diesem Grund ist dieUV-Strahlung für uns gefährlich. In Abbildung 11 ist zu sehen, dass dieSonne das meiste Licht im sichtbaren Bereich ausstrahlt. Trotzdem reichtder Anteil des UV-Lichts aus, einen Sonnenbrand zu verursachen.

Wellenlänge und Frequenz Zunächst wird auf Wellen eingegangen. Wellen werden charakterisiertdurch Wellenlänge und Frequenz. Da beide miteinander verknüpft sind,genügt es meistens, nur eine dieser Größen zu betrachten. Im folgendensoll daher nur von der Wellenlänge die Rede sein. Der Zusammenhang istin Vakuum ganz einfach. In anderen Medien, z. B. Glas, kann er auchkomplizierter sein (Dispersion), was aber bei Anwendungen optischerSensoren selten von Bedeutung ist. Da sich Luft für Licht fast wie Vakuumverhält, kann man sich hier auf den einfachen Zusammenhang beschrän-ken:

( 1) c = * f

c = 3 * 109 m/s: Lichtgeschwindigkeit

[m]: Wellenlängef [1/s]: Frequenz

Bei sichtbarem Licht beträgt eine typische Wellenlänge z. B.:500 * 10-9 m (siehe 2.1.2).

Die entsprechende Frequenz ergibt sich aus ( 1) zu:0,6 * 1016 Hz.

Das liegt so weit über dem MegaHz- (109 Hz) und selbst dem GigaHz-Be-reich (1012 Hz), dass eine Beeinflussung optischer Sensoren durch solche,vergleichsweise niederfrequenten Wellen, z. B. durch Funk, ausgeschlos-sen ist. Als einzige Quelle von Störungen kommt Fremdlicht in Frage(siehe Tabelle zur Störfestigkeit in 3.1.2). Der Aspekt, dass es sich hier umelektromagnetische Wellen handelt, braucht hier also nicht weiter beach-tet zu werden. Das gilt genau genommen für den Bereich vor dem Sen-sor. Die Elektronik ist, wie bei anderen Sensortypen auch, beeinflussbar.Das Thema EMV wird in den Schulungsunterlagen CE-Kennzeichnungbehandelt.

wie sieht die Welle aus? Im Zusammenhang mit optischen Sensoren ist es aber von Bedeutung,dass es sich um Transversalwellen handelt. Das bedeutet die Schwingung

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(hier der elektrischen und magnetischen Felder) findet senkrecht zur Aus-breitungsrichtung statt. Senkrecht zur Ausbreitungsrichtung, die man sichals gerade Linie vorstellen kann, liegt aber eine Ebene, die wiederumdurch zwei Richtungen charakterisiert ist.. Die Aussage �senkrecht zurAusbreitungsrichtung� ist also nicht eindeutig. Es gibt zwei Möglichkei-ten, z. B. �nach oben�, oder �zur Seite�.

Polarisation Normalerweise gibt es bei Licht keine bevorzugte Richtung der Schwin-gung. Wird aber die Richtung, z. B. durch entsprechende Filter, auf eineeinzige Richtung eingeschränkt, dann spricht man von polarisiertem Licht.Die Ebene, die durch die Richtung der Schwingung und die Ausbreitungs-richtung gegeben ist, heißt Polarisationsebene (siehe 3.3.2, Abbildung 46und Abbildung 47). Polarisiertes Licht wird speziell in einem Typ der Re-flexlichtschranken verwendet (siehe 3.3).

Nimmt man eine Einteilung in verschiedene Bereiche der Wellenlänge vor,dann spricht man von einem Spektrum.

2.1.2 Bereiche der Wellenlänge

Elektromagnetische Wellen treten in einem weiten Bereich auf. Radiowel-len, sichtbares Licht, Röntgenwellen usw. unterscheiden sich lediglich inder Wellenlänge.

Wellenlänge An den Begriff der Wellenlänge, die meist mit bezeichnet wird, sollAbbildung 2 erinnern

Abbildung 2: Wellenlänge

Das bei optischen Sensoren zum Erkennen eines Objektes erforderlicheLicht, besitzt Wellenlängen, die im Bereich der elektromagnetischenStrahlung etwa zwischen 1 mm und 10 nm liegen. Darin unterscheidetman zwischen dem UV-Licht (ultraviolett), dem für das menschliche Augesichtbare Licht und dem IR-Licht (infrarot).

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Abbildung 3: Elektromagnetisches Strahlungsspektrum

In Abbildung 3 ist im oberen Teil der hier interessierende Bereich aufge-spreizt dargestellt. In der folgenden Tabelle werden die Bezeichnungenfür eine feinere Aufteilung dargestellt.

Wellenlängenbereich Bezeichnung der Strahlung100 nm - 280 nm280 nm - 315 nm315 nm - 380 nm380 nm - 440 nm440 nm - 495 nm495 nm - 558 nm558 nm - 640 nm640 nm - 750 nm

750 nm - 1400 nm1,4 µm - 3,0 µm3,0 µm - 1000 µm

UV - CUV - BUV - A

Licht - violettLicht - blauLicht - grünLicht - gelbLicht - rot

IR - AIR - BIR -C

Aufteilung des Strahlungsspektrums nach DIN 5031

Die Übergänge zwischen den einzelnen Bereichen und den einzelnenFarben des sichtbaren Lichtes sind fließend (vgl. Regenbogen). Das Thema�Farbe�, das für einen speziellen Sensor von besonderer Bedeutung ist,wird in 2.2.3 genauer besprochen.

Bei den meisten Geräten wird Infrarotlicht der Wellenlänge = 880 nmals Sendelicht eingesetzt. In einigen besonderen Fällen jedoch auch Rot-licht mit einer Wellenlänge von = 660 nm und infrarotes Licht mit = 950 nm. Die Laserdiode strahlt Rotlicht mit einer Wellenlänge von = 675 nm aus (vgl. Abbildung 14). Der aktuelle Trend geht allerdings in

Richtung Rotlicht, siehe unten.

Infrarotes Licht Das Infrarotlicht hat verschiedene günstige Eigenschaften. Es wird u. a.eingesetzt, um die Geräte gegen Störeinflüsse von außen so sicher wiemöglich zu machen.  Der eingesetzte Empfangstransistor (bei der Bauform OI und OP eine

Diode) hat im infraroten Bereich seine maximale Empfindlichkeit, sieheAbbildung 14.

  Die Sendedioden für Infrarotlicht haben einen höheren Wirkungsgrad,das heißt sie geben bei gleichem Strom mehr Strahlung ab.

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  Es wird der Effekt ausgenutzt, dass Licht mit einer Wellenlänge größerals der Durchmesser sehr kleiner Staubteilchen nahezu ungestört ansolchen Teilchen vorbei gelangt (Beugung). Deshalb setzt man alsSchutz vor Verschmutzung und Staub besonders langwellige Strah-lung (IR und nicht UV) ein, siehe Abbildung 4 und Abbildung 5.

  Die Geräte sind durch den Einsatz von Infrarotlicht unempfindlichergegen Fremdlichtstörungen aus dem sichtbaren Bereich.

  Der Lichtfleck ist nicht sichtbar, was die Montage und Justage schwie-riger macht.

Beugung Der Zusammenhang zwischen der Größe des Objekts, der Wellenlängeund dem Begriff Beugung soll kurz erläutert werden. Aus der sogenann-ten geometrischen Optik ist es bekannt, dass paralleles Licht, das auf einObjekt fällt, einen Schatten wirft, dessen Rand auch parallel zur Richtungdes Lichts verläuft (Abbildung 4).

Abbildung 4: Schlagschatten

Wenn sich der Empfänger hinter dem Objekt befindet, dann kann aufdiesen kein Licht fallen. Wenn das Objekt kleiner als der Empfänger ist,dann wird dieser teilweise abgedeckt. Wenn sich viele kleine Objekte(Staubkörner) vor dem Empfänger befinden, dann kann das also auchdazu führen, dass der Empfänger meldet: �Lichtweg unterbrochen�. Indiesem Fall ist das eine Störung.

Funktionsstörungen, die durch Verschmutzung mit Staub hervorgerufenwerden, sind ein typisches Problem für optische Sensoren (siehe auchFunktionsreserve in 3.7).

Ist aber das Objekt ungefähr so groß oder, besser gesagt, so klein wie dieWellenlänge (ca. 800 nm, siehe oben), dann tritt das Phänomen der Beu-gung auf. Das Licht kann �um das Objekt herum� laufen.

Licht Objekt Schatten

Abbildung 5: Beugung

Das bedeutet, der Empfänger kann nicht mehr so leicht abgedeckt wer-den.

Licht Objekt Schatten

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Die meisten Objekte, mit denen man es normalerweise zu tun hat, sindviel größer als die Wellenlänge, so dass die geometrische Optik angewen-det werden kann. Aber für feinen Staub oder Nebel ist es von Vorteil,wenn die Wellenlänge groß ist, damit die Störungen durch den Staub re-duziert werden können.

Ist das diffus? Das ist nicht damit zu verwechseln, dass wir z. B. bei Sonneneinstrahlungoft einen diffusen Schatten sehen. Dieser kommt dadurch zustande, dassdie Lichtquelle eine gewisse räumliche Ausdehnung hat. Das ergibt sich z.B. auch bei mehreren Lichtquellen. Dieser Effekt spielt in diesem Zusam-menhang aber keine Rolle.

rotes Licht Die oben aufgelisteten Vorteile des Infrarotlichtes haben dazu geführt,dass hauptsächlich dieses in den Sensoren eingesetzt wird. Es ist aber da-mit zu rechnen, dass die Weiterentwicklung und Verbesserung von Rot-licht-Dioden dazu führt, dass diese vermehrt eingesetzt werden. Beson-ders die Erleichterung bei der Montage und Justage sprechen dafür. Da-neben gibt es aber noch weitere Gründe, um Rotlicht zu verwenden. Zu-sammengefasst:  Polfilter (siehe 3.3.2) für Rotlicht sind besser und preiswerter.  Die Dämpfung in Lichtleitern (siehe 3.5) ist bei Rotlicht geringer.  Der Lichtfleck ist sichtbar, was die Montage und Justage vereinfacht.

2.1.3 Entstehung von Licht

Wo kommen die kleinen Lichtwellen her? Oben wurde der Begriff der Wellenlänge, die Licht charakterisiert, erläu-tert. Nun soll es darum gehen, wie Licht entsteht. Um zu verstehen, wieein Laser funktioniert, muss man sich mit diesem Thema beschäftigen. Indiesem Zusammenhang ist der Teilchencharakter des Lichts von Bedeu-tung.

Bohrsches Atommodell Zuerst soll noch an einige Grundlagen erinnert werden. Bekanntlich be-steht Materie aus Atomen oder Molekülen. Diese bestehen aus Kernen,die von Elektronen umgeben sind. Man spricht dabei von der Elektronen-hülle.

Abbildung 6: Bohrsches Atommodell

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In dem Atommodell, das vom dänischen Physiker Nils Bohr entwickeltwurde, umkreisen die Elektronen die Atomkerne wie Planeten die Sonne(Abbildung 6).

Quanten Es war eine überraschende Erkenntnis der modernen Physik, dass einAtom oder Molekül nicht Energie mit beliebigen Beträgen abstrahlt, son-dern nur �portionsweise�. Diese Portionen nennt man Quanten. Licht hatdemnach nicht nur Wellencharakter. Man kann es sich, je nach dem Zu-sammenhang, auch als Teilchen vorstellen. Auch die Energie, die vorherz. B. als Wärme zugeführt werden muss, wird nur in bestimmten Beträ-gen aufgenommen. Genauer gesagt, wird das Energiequantum von derElektronenhülle aufgenommen.

Da der Abstand des Elektrons vom Kern mit der Energie zusammenhängtkann man sich das beim Bohrschen Atommodell (Abbildung 6) so vorstel-len, dass sich die Elektronen nicht auf beliebigen Bahnen bewegen kön-nen. Es sind nur bestimmte Abstände �erlaubt�.

Diese Abstände sind aber nur ein Bestandteil des Modells. Allgemeinspricht man hier von Energieniveaus.

Wie kommt ein Material dazu, Licht auszustrahlen?

Anregung Dazu muss es angeregt werden. Wird z. B. einem Atom eine passendeEnergiemenge zugeführt, dann wird damit ein Elektron auf ein höheresEnergieniveau �gehoben�. Man sagt, es ist angeregt. In Abbildung 7 sindauf der senkrechten (y-)Achse einige solcher Energieniveaus markiert.Hier ist kein konkretes Atom wiedergegeben, die Abstände der Energieni-veaus wurden willkürlich gewählt. Im Prinzip sieht das Bild aber bei jedemAtom oder Molekül ähnlich aus. Es gibt einen untersten, stabilen Grund-zustand. Die Lücken zwischen den Energieniveaus werden nach oben im-mer kleiner. Wichtig ist hier nur, dass die Energie genau stimmen muss,dass also der Betrag der Energie möglichst genau dem Abstand zweiermöglicher Energieniveaus entspricht.

Abbildung 7: Anregung

Die Anregung kann auf verschiedene Weise geschehen, nicht nur wie inAbbildung 7 durch ein Lichtquant. Erhitzt man ein Material, z. B. Eisen,dann fängt es an zu glühen. Im atomaren Maßstab kann man das so ver-stehen, dass sich die Atome immer heftiger bewegen. Sie kollidieren

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dann auch immer heftiger, bis die Energie einmal genau dem Abstanddes nächsten freien Energieniveaus entspricht. Dann wird ein Elektronangeregt. Hier ist der Begriff der Temperatur (siehe 2.2) von Bedeutung.Die Energie kann auch in elektrischer Form zugeführt werden, z. B. beieiner LED, bei der Wendel einer Glühlampe oder in einer Leuchtstoff-röhre.

Abstrahlung Dieser Zustand ist nicht stabil. Irgendwann �fällt� das Elektron auf seinenGrundzustand herunter und gibt seine Energie als Strahlung ab(Abbildung 8).

Abbildung 8: Abstrahlung

Wann genau das geschieht, lässt sich nicht voraussagen, manchmal frü-her manchmal später. Man bezeichnet das auch als spontane Emission.

was ist kohärent? Wenn mehrere Atome angeregt sind, dann werden sie nicht alle gleich-zeitig abstrahlen. Die Lichtwellen werden nicht im gleichen Takt schwin-gen. Man sagt, sie sind nicht kohärent (Abbildung 9 und Abbildung 10).

Abbildung 9: Kohärente Wellen

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Abbildung 10: Nicht kohärente Wellen

wohin läuft der Strahl? Die Richtung der Abstrahlung ist ebenfalls nicht festgelegt. Normaler-weise wird das Licht gleichmäßig in alle Richtungen oder ungerichtet ab-gestrahlt.

Die Strahlung, das Lichtquant, hat aber auch eine ganz bestimmte Ener-gie. Dadurch ist dann auch seine Wellenlänge festgelegt. Im Bereich dessichtbaren Lichts ist damit auch seine Farbe festgelegt (siehe 2.2.3).

2.1.4 Das Strahlungsspektrum

Wie �sieht dieses Licht aus�? Bei einer LED wird jeweils ein bestimmter Übergang zwischen Energieni-veaus bevorzugt. Deshalb ist das Licht einfarbig oder monochrom. Daaber auch hier die Ausstrahlung der vielen beteiligten Elektronen nichtgleichzeitig stattfindet, laufen die Lichtwellen nicht im gleichen Takt, siesind nicht kohärent.

Bei anderen Materialien, z. B. dem Metall einer Glühwendel, gibt es vielemögliche Übergänge zwischen verschiedenen Energieniveaus. Das Lichtist deshalb hier auch nicht monochrom.

In manchen Wellenlängenbereichen (im sichtbaren Licht: Farben) wirdmehr, in anderen weniger abgestrahlt. Wird das als Kurve dargestellt,wobei nach oben die Energiemenge und zur Seite die Wellenlänge aufge-tragen ist, dann hat man die spektrale Verteilung oder kurz das Spektrumder Strahlung. Um die unterschiedlichen Strahler besser miteinander ver-gleichen zu können, werden die Kurven normiert, das Maximum wird je-weils als der Wert 1 definiert. Im folgenden werden einige Beispiele ge-zeigt.

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Abbildung 11: Spektrum der Sonnenstrahlung

4: GaAsP5: GaAlAsP6: GaAs

Abbildung 12: Spektren von LEDs

Man erkennt in Abbildung 12, dass das Licht der LEDs in einem sehr en-gen Wellenlängenbereich abgestrahlt wird, sie strahlen fast monochrom.Die Kurve 4 liegt im roten Bereich des sichtbaren Lichts, 5 und 6 sind in-frarot.

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Abbildung 13: Spektrum der Laserdiode aus InGaAlP

Das Spektrum der Laserdiode besteht praktisch nur aus einer Linie bei675 nm. Dieses Licht ist also völlig monochrom. Wie das kommt, wird un-ten (2.3) erklärt. Die in den aktuellen Geräten verwendete Laserdiode be-steht aus InGaAlP.

Zur besseren Übersicht wurden die Spektren separat dargestellt. In derfolgenden Abbildung 14 werden sie noch einmal zusammengefasst undergänzt.

1: Sonnenlicht2: Empfindlichkeit des menschlichen Auges3: Spektrale Empfindlichkeit SI-Empfänger4, 5, 6: LED GaAsP, GaAlAsP, GaAs7: Laserdiode aus InGaAlP

Abbildung 14: Spektralkurven

Hat das praktische Konsequenzen? Man erkennt, dass z. B. die Empfindlichkeit des menschlichen Auges gutder Sonnenstrahlung entspricht. Die Kurven 3 und 5 bestätigen die Aus-

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sage von 2.1.2, dass die Empfindlichkeit des Empfängers gut zur LED miteiner Wellenlänge von 880 nm passt. Ein günstiger Zufall ist auch, dassgerade in diesem Bereich die Sonnenstrahlung, Kurve 1, etwas schwächerist. Sie ist sowieso schon im gesamten Infrarotbereich schwächer als imsichtbaren Bereich. Die meisten künstlichen Lichtquellen, z. B. Glühlam-pen oder Leuchtstoffröhren verhalten sich ähnlich. Das bestätigt also,dass Störungen durch Fremdlicht durch die Wahl dieser Sensorkompo-nenten reduziert wird.

2.2 Strahlung und Temperatur

Im folgenden Abschnitt werden einige Begriffe diskutiert, die hauptsäch-lich für das Verständnis der Eigenschaften der Infrarotsensoren wichtigsind. Die technischen Daten dieser Geräte werden in 5 besprochen. DerAbschnitt 2.2.3 ist für das Verständnis des Farbsensors wichtig, er betrifftnicht mehr den Infrarot-Sensor.

2.2.1 Schwarze Strahler

Ganz allgemein sendet jedes Material Strahlung aus. Die Intensität unddie Wellenlänge ist von der Temperatur abhängig.

Beim idealen schwarzen Strahler ist die Strahlung in einer bestimmtenWeise über alle Wellenlängen gleichmäßig verteilt.

Die Sonne (vgl. Abbildung 11) ist näherungsweise ein schwarzer Strahler.Bei diesen sieht die Kurve immer ähnlich aus. Die Position des Maximumshängt von der Temperatur ab. Bei kalten Objekten liegt es bei großenWellenlängen. Bei steigenden Temperaturen wandert es immer weiter zukürzeren Wellenlängen (z. B. Stahl glüht erst rot, dann gelb schließlichbläulich).

Beim schwarzen Strahler ist es daher ganz einfach, die Temperatur zu be-stimmen. Man braucht dazu nur in einem bestimmten Bereich der Wel-lenlänge, hier im infraroten Bereich, die Strahlung zu messen. Genauergesagt, je höher die Temperatur des Messobjektes ist, desto kleiner mussder Wert für die Wellenlänge sein, die der Detektor empfangen kann.

2.2.2 Emission

Jetzt hat man es aber mit realen Objekten und nicht mit idealisiertenschwarzen Strahlern zu tun. Was bedeutet das für die Messung?

Messsignal Es gibt im wesentlichen zwei Einflüsse auf das Messsignal (siehe unten).Das führt dazu, dass durch eine einfache Messung, wie in 2.2.1 beschrie-ben, ein Signal erhalten wird, das nicht direkt die Temperatur wiedergibt.Wie andere Typen binärer Sensoren, ist der Infrarotsensor für Anwen-dungen geeignet, bei denen es darauf ankommt, dass bei Erreichung ei-ner bestimmten Schaltschwelle ein Schaltvorgang ausgelöst wird. Der ei-gentliche Messwert ist dabei nicht bekannt. Das ist in diesem Fall auchnicht nötig.

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wie hängt das zusammen? Im folgenden soll kurz der Zusammenhang zwischen Temperatur undMesssignal beschrieben werden. Die beiden Einflussgrößen sind:  Abweichungen vom schwarzen StrahlerDie Strahlungsleistung verteilt sich nicht bei allen Stoffen so wie beimschwarzen Strahler über die Wellenlänge. Ein Extremfall wäre z. B. eineLED. Diese strahlt nur in einem ganz engen Bereich von Wellenlängen ab(siehe Abbildung 12). In den meisten Fällen verhalten sich die zu erfas-senden Objekte aber näherungsweise wie ein schwarzer Körper, so dassdieser Einfluss auf das Messsignal vernachlässigt werden kann.  EmissionsgradDer Emissionsgrad (oder E) ist ein Maß für die Fähigkeit eines Materials,Infrarot-Strahlung zu emittieren. E kann Werte zwischen 0 und 1 anneh-men. Je höher der Wert ist, desto mehr IR-Strahlung wird emittiert. Dadiese Materialeigenschaft auch bei bestimmten Objekten z. B. 0,01 odersogar noch kleiner sein kann, wird deutlich, dass dies den stärksten Ein-fluss auf das Messsignal darstellt. In diesem Fall wäre also das Signal 100-fach geringer. Im Anhang finden sich Tabellen des Wertes von E für ver-schiedene Materialien.

Wovon hängt E ab? Um nicht nur auf Tabellen angewiesen zu sein, kann man sich ein einfa-ches Kriterium merken. Der Emissionsgrad hängt mit der Reflexion R zu-sammen. Glatte, glänzende, spiegelnde Oberflächen reflektieren gutStrahlung. Man kann sich das so vorstellen, dass auch die Wärmestrah-lung, die �von innen� kommt, nicht von der Oberfläche durchgelassen,sondern wieder �nach innen� reflektiert wird. Solche Materialien habenalso ein geringes Emissionsvermögen.Der Zusammenhang ist bei vielen Materialien noch komplizierter, weil derEmissionsgrad selbst von der Temperatur abhängt.

Sind IR-Sensoren Messgeräte? Es ergibt sich für die Messung, eines Analogsignals, das Problem, dass dervon Material und Temperatur abhängige Emissionsgrad erfasst werdenmuss. Dies ist zwar technisch möglich, bedeutet aber einen hohen me-chanischen und elektronischen Aufwand. Quotientenpyrometer, wiediese Messgeräte genannt werden, sind sehr teuer und können ohneweiteres den Preis eines Mittelklasse-PKW oder noch mehr erreichen. Siewerden bereits seit langem von Firmen wie Heimann, Impac oder Ultra-cust angeboten. Aus diesen Gründen werden IR-Sensoren mit binärenAusgängen angeboten. Diese Geräte sind wesentlich preiswerter, könnenproblemlos an eine Steuerung angeschlossen werden und sind für dieMehrzahl der Anwendungen ausreichend. Die Antwort lautet also: siesind keine Messgeräte (wie die meisten binären Sensoren)

2.2.3 Reflexion und Farbe

Farbe Wie oben gezeigt wurde (siehe Abbildung 3) empfindet das Auge Strah-lung unterschiedlicher Wellenlängen als unterschiedliche Farben. Dastrifft nicht nur für Objekte zu, die selbst Strahlung aussenden, sondernfür jedes Objekt, das wir sehen. Damit wir es überhaupt sehen, muss esbeleuchtet werden. Das bedeutet, dass Licht von einer Lichtquelle (Sonne,Lampe) auf das Objekt fällt und von diesem reflektiert wird. Der Zusam-menhang, der als Reflexionsgesetz bezeichnet wird (Einfallswinkel = Aus-fallswinkel), betrifft nur ideale Spiegel. Hier soll es jetzt aber um die dif-fuse (ungerichtete) Reflexion gehen.

Optische Sensoren

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Farbfilter Die meisten Materialien wirken dabei ähnlich wie ein Farbfilter. Fällt z. B.Licht auf Sensoren eines bekannten Herstellers, dann werden die meistenWellenlängen verschluckt (absorbiert). Es werden nur Wellenlängen imorangenen Bereich reflektiert. Wir sagen dazu, das Objekt hat die Farbeorange.

Farbsensor Weil ein Lichttaster (siehe 3.4) auf das vom Objekt reflektierte Licht rea-giert, soll hier der Begriff �Farbe� kurz diskutiert werden.

schwarz-weiß Beginnen wir zunächst mit diesen Spezialfällen. Sind das überhaupt Far-ben? Man kann durch spektroskopische Untersuchungen zeigen, dass derEindruck �weiß� immer dann entsteht, wenn die Wellenlängen (Farben)im sichtbaren Bereich gleichmäßig abgestrahlt werden. Man kann auchsagen: weiß ist eine Mischung aus allen Farben. Schwarz ist demnach dieAbwesenheit aller Farben. Betrachtet man eine schwarz-weiße (mono-chrome, dieser Begriff wird hier in einer speziellen Bedeutung verwendet)Grafik, bei der auch verschiedene Grautöne vorhanden sind, dann siehtman, dass man den Unterschied zwischen schwarz, weiß und grau auchals Unterschied in der Intensität auffassen kann.

Kontrast Starke Unterschiede in der Intensität, wenige oder keine Grautöne, wer-den auch als starke Kontraste bezeichnet. Ein Kontrasttaster ist demnachfür die Erfassung von Intensitätsunterschieden ausgelegt.

Farbenlehre Der Eindruck von Farbe entsteht, wenn einzelne Wellenlängen bevorzugtausgesendet werden. Die Zuordnung ist aber nicht so eindimensional,wie es in der Abbildung 3 erscheint. Der Eindruck von Farbe entsteht janicht im Auge sondern durch eine sehr komplexe Signalverarbeitung imGehirn. In der Kunst ist schon lange bekannt, lange bevor die Wellenlän-gen untersucht wurden, dass drei sogenannte Grundfarben ausreichen,um jede andere Farbe zu erzeugen. In der Technik nutzt man diesen Zu-sammenhang, um z. B. Farben auf einem Monitor darzustellen oder ei-nen farbigen Ausdruck zu erzeugen.

RGB Diese Abkürzung bedeutet bekanntlich: rot, gelb, blau. Andere Farbenentstehen durch Mischungen:rot + gelb orangegelb + blau grünrot + blau violett.Die Mischung aller Farben ergibt grau (�dunkelweiß�). Orange ist kom-plementär zu blau. Eine Mischung dieser beiden Farben ergibt ebenfallsgrau. Dieser Zusammenhang lässt sich auch an einem �Farbkreis� dar-stellen. Darauf kann hier aber nicht weiter eingegangen werden (mit ei-nem monochromen Ausdruck lassen sich schlecht Farben erläutern, au-ßerdem ist das ein umfangreiches Thema, mit dem dicke Bücher gefülltwerden können).

Bildbearbeitung Zwischentöne werden durch unterschiedliche Mischverhältnisse erzeugt.Wieviele davon möglich sind, ergibt sich aus der Auflösung, hier auch alsFarbtiefe bezeichnet. Z. B. mit einem Bit für rot kann man nur angeben:�vorhanden� oder �nicht vorhanden�. Mit zwei Bit kann man schon vierIntensitäten unterscheiden usw. Moderne Software zur Bildbearbeitungverfügt u. a. über die Funktion, das Mischungsverhältnis in feinen Stufenzu verändern. Damit können z. B. Farbstiche reduziert oder interessanteVerfremdungseffekte erzielt werden.

rot

orange

gelb

violett

blaugrün

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Im Prinzip reichen drei Farben, statt des Beispiels RGB hätte man genauso gut orange, grün, violett als Grundfarben nehmen können. Es gibtauch hochwertige Drucker mit 6 Farben. Damit wird aber deshalb einebessere Druckqualität erzielt, weil sich das Mischungsverhältnis bei nurdrei Farben nicht exakt genug reproduzieren lässt. Bei 6 Farben ist dieserFehler geringer als bei drei.

Was bedeutet das für den Taster? Hat man z. B. rote Objekte und bestrahlt sie mit einer GaAsP-LED (vgl.Abbildung 14), also mit rotem Licht, dann wird dieses sehr gut reflektiert.Bestrahlt man mit der gleichen LED ein blaues oder gelbes Objekt, dannwird deutlich weniger reflektiert.Die erste Konsequenz ist, dass die Reichweite von der Farbe abhängt.

Wenn man von der Oberflächenbeschaffenheit (rau oder glatt) einmal ab-sieht, bzw. annimmt diese sei bei allen Objekten gleich, dann erkenntman, dass man zwar ein rotes Objekt von einem blauen Objekt unter-scheiden kann. Es ist aber kaum möglich mit diesem Taster ein blaues voneinem gelben oder grauen Objekt zu unterscheiden.

Farbsensor Möchte man aber Objekte mit unterschiedlichen Farben, oder z. B. Auf-drucke auf Papier mit unterschiedlichen Farben unterscheiden, so heißtdas, es ist eine dreifarbige Lichtquelle erforderlich, z. B. in RGB. Der Emp-fänger muss ebenfalls die Intensität jeder Farbe für sich messen können.Es genügt ein einziger Empfänger, der für die drei Farben gleich empfind-lich ist, falls die RGB-Signale nicht gleichzeitig sondern nacheinander aus-gesendet werden. Spricht z. B. der Empfänger nur bei rot an, dann mussdas Objekt eben rot sein. Bei einem anderen Objekt kann sich z. B. eineMischfarbe ergeben aus 20 % R, 30 % G und 50 % B. Wird dieses Ver-hältnis abgespeichert, dann ist der Sensor in der Lage diese Farbe ausvielen anderen Farben zu selektieren.

Soll z. B. eine Papierbahn bei einer bestimmten Farbmarkierung (undnicht bei irgendeinem anderen Aufdruck!) geschnitten werden, dann istdurch eine Teach-Funktion diese Farbe im Sensor zu speichern.

2.3 Laser

2.3.1 Bedeutung

Was ist ein Laser? Der Begriff ist eine englische Abkürzung: Light amplification by stimula-ted emission of radiation. Wörtlich bedeutet das etwa: Lichtverstärkungdurch stimulierte Ausstrahlung. Alles klar?

Eigentlich bedeutet Laser einen speziellen Effekt. Inzwischen sagt manaber auch einfach Laser, wenn eigentlich Laser-Strahler oder -Sender ge-meint ist.

Was strahlt denn ein Laser aus? Die Antwort erscheint zunächst einfach: es ist nichts anderes als Licht.Um aber verstehen zu können, was das besondere am Laser ist, was z. B.der Unterschied zu einer Lampe oder LED ist, muss man an einige deroben beschriebenen Grundlagen erinnern.

Im allgemeinen wird das Licht mit folgenden Eigenschaften ausgestrahlt:

Optische Sensoren

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  ungerichtet  nicht monochrom  nicht kohärent

Das ist wohl beim Laser anders? Richtig! Um das besondere des Lasers zu verstehen, musste zunächst die�normale� Strahlung erläutert werden.

2.3.2 Eigenschaften

Lawineneffekt Zuerst soll beschrieben werden, was hier mit stimulierter Strahlung ge-meint ist. Man kann sich zunächst zwei Atome vorstellen, bei denen jeein Elektron auf das gleiche Energieniveau gehoben wurde. Irgendwannfällt eines davon herunter und strahlt seine Energie ab. Läuft nun dieLichtwelle am anderen Atom �vorbei�, dann kann dieses dazu angeregt,stimuliert, werden, ebenfalls seine Energie abzugeben. Beim zweitenAtom geschieht also die Ausstrahlung nicht mehr zufällig. Bedingt durchdiese Anregung, hat das Licht des zweiten Atoms die gleiche Richtung,die gleiche Wellenlänge (sowieso durch gleiche Energieniveaus) und dengleichen Takt (Phase). Wenn nun nicht nur zwei sondern viele Atome be-teiligt sind, dann ergibt sich aber eine Art Lawineneffekt.

Wieso läuft Laserlicht immer in die gleiche Richtung?Die Frage ist berechtigt. Die erste Welle, die die Lawine auslöst, läuft ja ineine ganz beliebige Richtung. Bisher wurde unterschlagen, dass zu einemLaser auch Spiegel gehören. Ein möglichst guter Spiegel sitzt an einemEnde. Ein teilweise durchlässiger Spiegel am anderen Ende, wo das Lichtaustritt. Eine Welle, die nicht auf den Spiegel trifft und zwar möglichstrechtwinklig, hat keine Chance zu einer großen Lawine anzuwachsen. Sietrifft auf die seitliche Wand und wird verschluckt (1 in Abbildung 15). Nureine Welle, die senkrecht auf den Spiegel fällt, wird reflektiert und kannviele Male zwischen den Spiegeln hin und her laufen. Diese Anordnungwird auch Resonator genannt. Erst dadurch kann die Lawine soweit an-wachsen, dass ein �richtiger� Laserstrahl entsteht (2 in Abbildung 15). Dadie Anzahl der Atome selbst in einer vergleichbar winzigen Diode unvor-stellbar groß ist, muss man aber nicht lange warten, bis dieser Zufall ein-tritt. Die Ausstrahlung erfolgt praktisch momentan.

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Abbildung 15: Prinzip des Lasers

Laserlicht ist also:  gerichtet (parallel)  monochrom  kohärent

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Laserdiode Es gibt inzwischen eine ganze Reihe von Lasern (eigentlich Laserstrah-lern). Dabei werden unterschiedliche Materialien und unterschiedlicheMethoden der Anregung verwendet. Es würde hier zu weit führen, alleaufzulisten. Einige davon sind hier im Text nur kurz andeutungsweise alsBeispiele genannt. Ein Typ, der wohl von der Stückzahl her am weitestenverbreitet ist, ist die Laserdiode. Dabei geschieht die Anregung durchelektrischen Strom. Die Laserdiode ist zwar noch das teuerste elektroni-sche Bauteil in Lasersensoren. Durch die großen Stückzahlen sind Laser-dioden aber für Standardanwendungen erschwinglich (Laserpointer). Siewerden nicht extra mit einem teildurchlässigen Spiegel (siehe oben) ver-sehen. Dessen Aufgabe wird einfach von der glatten (spiegelnden) Bruch-fläche des Kristalls übernommen. Dadurch läuft das Licht nicht so exaktparallel wie bei Präzisionslasern. Die aber immer noch vergleichsweisesehr geringe �Streuung" reicht für die Anwendung in Sensoren völligaus.

granular Der Lichtfleck, der von einem Laserstrahl erzeugt wird, der z. B. auf eineWand fällt, hat ein ganz charakteristisches Aussehen. Er sieht granular(körnig) aus. Daran kann man leicht eine Lichtquelle als Laser identifizie-ren. Dieser Effekt entsteht auf folgende Weise: Laserlicht ist, wie geradebeschrieben, kohärent (siehe Abbildung 9). Die Wellen, die von der Wandreflektiert werden, sind aber nicht mehr kohärent. Schon geringe Un-ebenheiten führen dazu, dass die Lichtstrahlen, die von der Wand insAuge fallen, nicht alle den gleichen Weg zurückzulegen haben. Dadurchergibt sich Interferenz (vgl. 2.1.1). Wenn Wellental auf Wellenberg trifft,ergibt sich Auslöschung. Der Fleck ist an dieser Stelle dunkel. Andernfallsergibt sich Verstärkung; der Fleck erscheint hell. Das wird auch praktischausgenutzt bei der Untersuchung der Güte von Flächen bei Bauteilen vonoptischen Präzisionsinstrumenten. Unebenheiten, die geringer als dieWellenlänge des Laserlichts sind, hier 875 nm, können auf diese Weiseerkannt werden

Energie Da Laserstrahlung im allgemeinen sehr gut parallel gerichtet ist, kann siez. B. durch eine Sammellinse sehr gut auf einen Punkt konzentriert wer-den. Da die ganze Energie hier konzentriert auftritt, kann Laserlicht auchsehr energiereich sein. Es wird ja z. B. auch zum Schneiden oder Schwei-ßen verwendet. Bei einer Lichtschranke ist dieser Effekt natürlich nicht er-wünscht. Hier muss Strahlung mit vergleichsweise geringer Energie ver-wendet werden. Je nach der möglichen Wirkung des Laserlichts wird esin verschiedene Klassen eingeteilt. Bei Laser-Lichtschranken sollte also z.B. nicht zwingend vorgeschrieben sein, dass Personen in deren Bereichnur mit Schutzbrille arbeiten dürfen.

Wie gefährlich sind Laser-Sensoren? Lasersensoren sollen der Euronorm EN 60825 beziehungsweise der inter-nationalen Norm IEC 60825 entsprechen . In diesen Normen wird der Be-trieb von Lasereinrichtungen behandelt.

Lidschlussreflex Lasersensoren der ifm electronic sind in der Laserschutzklasse II eingeord-net. Das ist z. B. auch die Klasse der Laser-Pointer. Die Laserleistung, auchim Einstellmodus, ist damit maximal 1mW. Bei dieser Klasse geht man da-von aus, dass der Lidschlussreflex ausreicht, das Auge zu schützen. Fälltnämlich helles Licht auf das Auge, dann schließt sich das Lid automatisch,eben reflexhaft. Das Auge wird dadurch nur kurzzeitig dem Licht ausge-setzt. Auch bei Auftreffen eines Laserstrahls auf das menschliche Augewird unwillkürlich das Augenlid geschlossen. Der Laserstrahl darf beim

Optische Sensoren

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Auftreffen auf das ungeschützte Auge in einer Zeit von 0,25 Sekundenkeine Schäden verursachen.

Bei der Installation der Lasergeräte ist u.a. durch geeignete Anbauhöhedarauf zu achten, dass absichtliches oder zufälliges Hineinschauen in denLaserstrahl verhindert wird. Am Installationsort sind deutliche Warnauf-kleber (im Lieferumfang enthalten) anzubringen. Zusätzliche Schutzmaß-nahmen und ausführliche Personalinstruktionen sind nicht erforderlich.Es sollte also vermieden werden, die Geräte in Kopfhöhe zu verwendenoder überhaupt in Richtungen strahlen zu lassen, in denen sich Personenaufhalten können.

Laserstrahlung ist, abgesehen von speziellen Hochleistungslasern, nichtbesonders energiereich. Die Vorteile des Laserlichts muss man durch ei-nen geringen Wirkungsgrad bezahlen. Die Gefährlichkeit des Laserlichtsergibt sich nur durch die extreme Bündelung auf einen Punkt. Dabei solldaran erinnert werden, dass sich im menschlichen Auge auch eine ArtLinse befindet.

2.3.3 Begriffe

Einige häufig im Zusammenhang mit Lasern genannte Begriffe sollen kurzerläutert werden.

Wo sitzt die Pumpe? Ein solcher Begriff ist das �Pumpen�. Damit ist folgendes gemeint.Würde das entsprechende Lasermaterial, das können Gase oder Festkör-per sein, z. B. durch Erwärmung zur Strahlung angeregt, dann wäre dassehr wenig effektiv, weil sich die Energie auf alle möglichen Niveaus ver-teilen würde. Man bestrahlt daher z. B. das Material mit Licht, vorzugs-weise einer bestimmten Wellenlänge, um so das erwünschte Energieni-veau besser anzuregen (es gibt auch andere Methoden, die hier nicht be-schrieben werden). Ein Beispiel der technischen Realisierung soll kurz be-schrieben werden. Jeder der fotografiert, kennt die modernen elektroni-schen Blitzgeräte. Die Lampe darin, ein Rohr, das mit einem bestimmtenGasgemisch gefüllt ist und das durch eine elektrische Entladung zumLeuchten gebracht wird, hat zylindrische Form. Stellt man sich jetzt solcheine Blitzröhre in Form einer Wendel um einen Rubinkristall gewickeltvor, dann weiß man schon in etwa wie ein Rubinlaser aussieht.

Besetzungsinversion Dieser Begriff hört sich zwar etwas militärisch an, hat aber nichts damitzu tun. Er hat im Zusammenhang mit Lasern folgende Bedeutung. In2.1.3 wurde beschrieben, dass Licht ausgesendet wird, wenn ein Elektronvon einem höheren Energieniveau auf ein niedrigeres fällt. Der umge-kehrte Vorgang ist aber auch möglich. Licht, das auf ein Elektron auf ei-nem tieferen Energieniveau trifft, vermag dieses auf ein höheres Niveauzu heben. Je besser die Energie des Lichts der �Lücke� zwischen denEnergieniveaus entspricht, um so wahrscheinlicher ist es, dass dieser Falleintritt. In einem Material, das aus vielen gleichartigen Atomen besteht,die dann auch alle die gleichen Energieniveaus haben, kann also dasLicht, das von einem Atom ausgesendet wird, ganz leicht von einem an-deren wieder verschluckt werden. Damit, wie oben beschrieben, eine La-wine anwachsen kann, müssen mehr Atome, bei denen das Elektron aufdem höheren Niveau sitzt, vorhanden sein als solche, bei denen das Elekt-ron auf der unteren Stufe sitzt. Diesen Zustand nennt man Besetzungsin-

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version. Man kann auch den Begriff Pumpen verwenden und sagen, esmuss so lange gepumpt werden, bis Besetzungsinversion erreicht wird.

Polarisation Bei der Aufzählung der Eigenschaften von �normalem� Licht (2.3.1) hätteman noch dazu setzen können:  nicht polarisiert.

Bei vielen Laserlichtquellen ist das Licht, bedingt durch den Aufbau, vonselbst schon polarisiert. Da dies aber nicht für alle Typen zutrifft, soll eshier noch abschließend erwähnt werden.

2.3.4 Lasersensoren

Präzision Lasergeräte sind aus den in 2.3.2 erklärten Gründen für Anwendungen,die hohe Präzision erfordern besonders geeignet. Lasergeräte sind z. B.aus der Geodäsie nicht mehr wegzudenken. Beim Einsatz in binären Sen-soren kann diese hohe Präzision aber dann stören, wenn sie nicht in demMaße erforderlich ist. Praktische Hinweise speziell im Zusammenhang mitReflexlichtschranken sind in 3.3.2.2 zu finden. Hier sollen kurz einigePunkte angesprochen werden, die bei allen Typen auftreten.

Bündelung Oben wurde erklärt, dass, je nach der Güte der Oberfläche des Resona-tors, der Strahl mehr oder weniger parallel austritt. Wenn in diesem Zu-sammenhang hohe Präzision erforderlich ist, dann bedeutet es auch ei-nen hohen Aufwand, sie zu kontrollieren und eventuelle Abweichungenzu korrigieren. Bei binären Sensoren genügt schon eine schwache Bün-delung. Die Abbildung 16 zeigt ein Beispiel für den typischen Strahlver-lauf.

Abbildung 16: Strahlverlauf beim Lasergerät

Man erkennt, dass der minimale Durchmesser des Lichtflecks bei einembestimmten Abstand auftritt. Wie groß dieser Abstand bei einem be-stimmten Gerät ist, das ist im Datenblatt zu finden. Dieser Abstand istfest durch die optischen Elemente vorgegeben. Man kann natürlich darandenken, ihn variabel zu machen. Das würde aber wieder einen unverhält-nismäßigen Aufwand bedeuten. Dazu gibt es eine Analogie aus der Fo-tografie. Ein qualitativ hochwertiges Zoomobjektiv ist erheblich aufwen-diger und teurer als eines mit fester Brennweite.

kleine Objekte Die kostengünstigste Lösung um kleine Objekte (minimaler Durchmesser0,1 mm) erfassen zu können, besteht darin, das Gerät mit einer Blendezu versehen. Man muss dann lediglich in Kauf nehmen, dass die Reich-

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weite reduziert wird. Es wird aber ein seltener Spezialfall sein, dass win-zige Objekte aus größeren Entfernungen erfasst werden sollen.

2.4 Brechung

Wozu muss ich das wissen? Um das Funktionsprinzip von Fiberoptiken (siehe 3.5) zu verstehen, mussman sich mit diesem Phänomen beschäftigen.

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Abbildung 17: Brechung dünner -> dichter

Lichtstrahlen, die von einem optisch dünneren Medium in ein optischdichteres Medium übergehen, werden gebrochen. Es entsteht sozusagenein Knick im Lichtstrahl. Abhängig vom Einfallswinkel werden sie dabeizum sogenannten Einfallslot, das ist die Senkrechte zur Mediengrenze amÜbergangspunkt, hin gebrochen. Zu beachten ist dabei, dass es einenGrenzwinkel im Glas gibt. Selbst wenn das Licht ganz flach auf das Glasfällt (streifender Einfall), bleibt ein Bereich im Glas, wohin das Licht nichtkommt. (siehe Abbildung 17).

wie kommt das? Man könnte auch fragen: was bedeutet optisch dichter bzw. optischdünner?

Lichtgeschwindigkeit Das hängt mit den unterschiedlichen Geschwindigkeiten des Lichts zu-sammen. Mancher wird sich vielleicht erinnern, gelernt zu haben, dassdie Lichtgeschwindigkeit eine absolute Grenze darstellt und immer kon-stant ist. Damit ist aber ein anderer Zusammenhang gemeint, der in derRelativitätstheorie von Bedeutung ist (keine Sorge, diese werden wir hiernicht behandeln). Tatsächlich ist aber die Lichtgeschwindigkeit vom Me-dium abhängig. Im Vakuum ist sie am größten, in Luft nur unwesentlichgeringer. In Wasser oder in Glas ist sie deutlich geringer, wobei es auchnoch beträchtliche Unterschiede bei verschiedenen Glassorten gibt. Einoptisch dichtes Medium ist ein Medium in dem das Licht langsamer vorankommt. Entsprechend ist das Licht in einem optisch dünneren Mediumschneller. (Eine kleine Abschweifung ist vielleicht doch für manche inter-essant: jetzt kann man verstehen, dass es doch Bewegung mit Überlicht-geschwindigkeit gibt und zwar nicht nur beim Raumschiff Enterprise.

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Sehr energiereiche Partikel der radioaktiven Strahlung können sich imWasser mit Überlichtgeschwindigkeit bewegen. Die Geschwindigkeit liegtzwar immer unter der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, sie kann aberüber der Lichtgeschwindigkeit im Wasser liegen. Das führt zu einem Phä-nomen ähnlich dem Überschallknall bei Flugzeugen. Es entsteht die so-genannte Tscherenkov-Strahlung. Sie wird sichtbar als bläuliches Licht,das man auf Aufnahmen eines Reaktorkerns in Wasser sehen kann.)

Brechungsindex Die Materialeigenschaft Brechungsindex ist das Verhältnis aus Lichtge-schwindigkeit im Vakuum zur Lichtgeschwindigkeit im Medium. er istimmer größer als 1.

kürzeste Zeit Man kann sich fragen, wieso hat in diesem Fall der Lichtweg einen Knick?Es ist ein interessantes Naturgesetz, dass sich das Licht so bewegt, dass esin der kürzest möglichen Zeit von Punkt A nach Punkt B kommt. Wennder Punkt A im dünneren Medium, der Punkt B im dichteren Mediumliegt, dann kann man sich so den Knick im Weg erklären.

Umkehrung Wie sieht es nun aus, wenn das Licht den umgekehrten Weg vom optischdichteren in das optisch dünnere Medium nimmt?

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Abbildung 18: Brechung dichter -> dünner

Normalerweise muss der Lichtweg auch immer in umgekehrter Weisedurchlaufen werden können. Das heißt, wenn man einen Lichtstrahl voneinem Sender zu einem Empfänger zeichnet, dann muss die Zeichnungauch richtig sein, wenn Sender und Empfänger vertauscht werden, sodass das Licht umgekehrt läuft. So ist es auch bei der Brechung.

Grenzwinkel Umgekehrt funktioniert es also ähnlich: Beim Übergang vom optischdichteren ins optisch dünnere Medium brechen die Strahlen vom Lotweg. Jedoch gibt es ab einem bestimmten Grenzwinkel (Brewsterwinkel),der auch schon in Abbildung 17 zu sehen war, keinen entsprechendenLichtstrahl im dünneren Medium. Dieser Winkel ist abhängig vom Me-dienpaar und beträgt z. B. bei Glas-Luft ca. 42 Grad. Das Licht kann dannnicht mehr ins optisch dünnere Medium gebrochen werden, sondernwird statt dessen komplett nach dem bekannten Reflexionsgesetz (Ein-

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fallswinkel = Ausfallswinkel) an der Grenzfläche ins dichtere Medium zu-rückgeworfen, also totalreflektiert.

Totalreflexion Die Totalreflexion hat eigentlich mehr mit der Brechung von Lichtstrahlenzu tun, als mit der Reflexion von Licht. Sie ist viel effektiver als der besteSpiegel. Sie funktioniert praktisch völlig verlustfrei.

Fasern (Fiber) Fiber ist ein anderes (englisches) Wort für Faser. Strahlt man Licht so ineine Glasfaser, dass es unter einem flachen Winkel die Wand trifft, sowird es totalreflektiert. Durch weitere Totalreflexionen an der Wand wirdes ständig weitergeleitet und am Ende der Faser tritt es genau so aus, wiees am Faseranfang eingefallen ist. Das ist geschieht auch dann, wenn dieFaser gekrümmt ist. Die Krümmung darf dabei nicht zu groß sein. Dasdarf sie ohnehin nicht sein, weil sonst die Faser bricht (siehe 3.5).

1 Licht2 Kernglas3 Ummantelung

Abbildung 19: Totalreflexion in Fiber

Dämpfung Die Totalreflexion geschieht ja praktisch verlustfrei. Insgesamt wird dasLicht jedoch etwas gedämpft. Selbst wenn man Glas mit hervorragendenEigenschaften hat, so kann man sich vorstellen, dass Licht gedämpft wird,wenn es durch meterdicke Glasscheiben hindurchtritt. Es werden Fibernaus Glas und aus Kunststoff verwendet (siehe 3.5). Ein Beispiel: in Kunst-stofflichtleitern beträgt die Dämpfung 120 dB/km (auf die Einheit dBkann hier nicht weiter eingegangen werden, ganz kurz: es handelt sichum eine logarithmische Skala, 6 dB bedeutet Dämpfung auf die Hälfte).Weil infrarote Strahlen etwas stärker gedämpft werden, verwendet manzum Teil Rotlicht.

Struktur einer Faser Genau genommen geschieht die Totalreflexion nicht an der Wand der Fa-ser sondern schon im Inneren. Man verwendet auch nicht einfache Glas-fasern sondern ganz spezielle, die aus zwei Sorten von Glas bestehen.Der innere Bereich besteht aus optisch dichterem und der äußere aus op-tisch dünnerem Glas. Im Grenzbereich dazwischen geschieht die Totalre-flexion.

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3 Eigenschaften der optischen Sensoren

In diesem Kapitel wird zunächst das optische Prinzip der Erfassung vonObjekten mit anderen verglichen. Dann werden die drei Systeme diesesSensors im einzelnen besprochen mit ihren jeweiligen Eigenschaften, mitHinweisen zum praktischen Einsatz usw.

3.1 Vergleich mit anderen Sensorarten

3.1.1 Eingrenzung

Warum werden die Sensoren eigentlich auch optoelektronisch genannt?Das Wort ist zusammengesetzt aus optisch und elektronisch. Es bedeutet,dass durch Licht (optisch) ein Gegenstand berührungslos erfasst unddiese Information elektronisch ausgewertet und weitergemeldet wird.

Sensorsysteme Optische Systeme sind wichtige Komponenten der modernen Automati-sierung. Ihre Bedeutung wird in Zukunft wahrscheinlich noch zunehmen.Dabei gibt es aber unterschiedliche Systeme:

  bildgebend (2-dimensional)

Wie der Name sagt, werden hier Bilder von Objekten erzeugt wie bei ei-ner Video- oder digitalen Kamera. Diese werden dann weiterverarbeitetund ausgewertet, z. B. auf Vorhandensein, Art, Lage, Maße des Objektsusw. Speziell diese werden im Zusammenhang mit verbesserten Rechen-leistungen bei der Auswertung vermehrt eingesetzt werden. Bei der ifmwird O2D als Bezeichnung für solche Sensoren verwendet.

  Längenmessung (1-dimensional)

Schon seit längerer Zeit werden optische Systeme verschiedener Art fürLängenmessungen mit teilweise sehr hoher Präzision eingesetzt. Zum Teilwerden sie aber auch durch bildgebende Systeme abgelöst. Im weiterenSinne kann man auch Drehgeber/Winkelcodierer zu dieser Gruppe zäh-len. Wegen des speziellen Messprinzips werden diese Sensoren bei derifm als PMD-Sensoren bezeichnet.

  Lichtschranken (punktförmig)

Damit sind die binären Sensoren gemeint. Genau genommen erfasstdiese Bezeichnung aber nicht alle Typen, die Lichttaster (siehe 3.4) gehö-ren auch dazu. Auch hier sind die Grenzen fließend. Lichttaster mit Hin-tergrundausblendung werden Messsystemen immer ähnlicher.

binäre Sensoren Im folgenden soll es nur um die binären Sensoren gehen. Wie bei allenanderen Arten binärer Sensoren genügt in vielen Anwendungsfällen dieInformation �Objekt (oder Zustand) vorhanden� oder �...nicht vorhan-den�. Ein binärer Sensor ist in der Regel kostengünstiger und weniger an-fällig gegen Störungen.

Optische Sensoren

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Daneben soll aber darauf hingewiesen werden, dass man mit �einfa-chen� binären Sensoren (das trifft nicht nur für die optischen zu) auchanspruchsvollere Aufgaben kostengünstig lösen kann. Z. B. kann man mitzwei Laserlichtschranken schon recht präzise eine Länge kontrollieren. Esgibt auch noch Anwendungen, bei denen eine Matrix von Lichtschrankenkostengünstiger ist als ein bildgebendes Verfahren. Hier ist die Kreativitätdes Anwenders und des Beraters gefragt.

3.1.2 Störfestigkeit der Sensorarten

Sensor Tempe-ratur

Feuchtig-keit

Staub LichtInfrarotstr.

Lärm el.-magn.Felder (HF)

induktiv + + + + + okapazitiv + o o + + -optisch(Taster)

o - o - + +

Ultraschall o + + + - +

Anfälligkeit + gering o mittel - hoch

Abbildung 20: Einfluss von Störgrößen auf verschiedene Sensorarten

Aus der Tabelle erkennt man, dass es bei den hier aufgeführten Sensor-prinzipien verschiedene spezifische Vor- und Nachteile gibt. Hierdurch er-geben sich unterschiedliche Schwerpunkte beim Einsatz der Geräte.

Es wird deutlich, dass die Vorteile von optischen Sensoren speziell in derStörunempfindlichkeit gegen hochfrequente elektromagnetische Felderund gegen Lärm liegen. Empfindlicher sind die Geräte hingegen beiFeuchtigkeit, Fremdlicht oder Infrarot-Strahlung.

Die Tabelle (Abbildung 20) kann auch herangezogen werden, wenn esdarum geht, einen geeigneten Sensor für eine Anwendung auszuwählen.Dabei ist aber im Einzelfall zu prüfen, ob nicht sensorspezifische Eigen-schaften zu berücksichtigen sind. So kann man z. B. Temperaturproble-men bei optischen Sensoren durch den Einsatz von Fiberoptiken begeg-nen oder es ist gegebenenfalls die Anfälligkeit von Ultraschallsensorengegen Störreflexionen zu berücksichtigen.

3.1.3 Entfernungsbereiche von Sensorsystemen

Die Entfernung, in der das Objekt erfasst werden soll, liefert ein eindeuti-ges Kriterium für die Auswahl der Sensorart.

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Abbildung 21: Reichweiten verschiedener Systeme

Reichweite Diese Grafik zeigt einen weiteren Vorteil optischer Erfassungssysteme ge-genüber den induktiv und kapazitiv arbeitenden Geräten, den sehr gro-ßen nutzbaren Entfernungs- oder Einsatzbereich.

Sicherheit Da man sich weiterhin bemüht, eventuelle Störquellen, wie Feuchte undFremdlicht, auszuschließen, ist der optische Näherungsschalter, der hierefector 200 heißt, ein sehr gutes System zur sicheren Objekterkennung.

Bauform Als weiterer wichtiger Pluspunkt kommt noch hinzu, dass die Bauformder Geräte im Verhältnis zu ihrer Reichweite sehr klein ist. So ist z. B. dasGerät OJ in der Lage, Gegenstände auf bis zu 600 mm, OJB sogar bis1000 mm, Entfernung zu erkennen. Besonders die Geräte mit Laserdiodezeichnen sich durch enorme Reichweiten bei kleinen Bauformen aus (z. B.60 m als Einweglichtschranke in der Bauform OG). Im Bereich induktiverund kapazitiver Näherungsschalter sind, besonders auch im Hinblick aufdie Störsicherheit, keine Geräte mit dieser Reichweite verfügbar.

3.2 Die Einweglichtschranke

3.2.1 Funktionsweise

Wie kann man sich das optische Erfassen von Objekten mittels IR-Strahlung vorstellen?Bei einer Einweglichtschranke werden Sender und Empfänger gegenü-berliegend montiert. Jedes Mal wenn durch einen Gegenstand der di-rekte Weg zwischen Sender und Empfänger unterbrochen ist, ändern sichdie elektrischen Eigenschaften des Empfangstransistors bzw. der Emp-fangsdiode. Diese Veränderung kann mit Hilfe einer Elektronik als �Ob-jekt erkannt� ausgewertet und über eine Endstufe signalisiert werden.Das wird in der IEC 60947-5-2 als Typ T bezeichnet.

Optische Sensoren

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Abbildung 22: Funktionsprinzip Einweglichtschranke

Dieses Prinzip der Einweglichtschranke (ELS) ist eine von optischen Senso-ren ausgenutzte Art zur Objekterfassung.

S und E (T und R) Die beiden Komponenten werden (auch im Typenschlüssel) kurz mit S fürSender und E für Empfänger bezeichnet, bzw. in der englischen Version Tfür Transmitter (Sender) und R für Receiver (Empfänger).

T Transmitter (Sender)R Receiver (Empfänger)SF Schaltfläche = aktive FlächeWF Wirkfläche (Empfangscharakteristik)

Öffnungswinkel

Abbildung 23: Sende-Empfangs-Charakteristik

Öffnungswinkel In der Abbildung 23 sind Sende- und Empfangscharakteristik der ELSdargestellt. Sender und Empfänger bilden eine Sende- bzw. Empfangs-keule aus, die vom Öffnungswinkel der Optik bestimmt wird (bauform-

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abhängig zwischen ± 0,04° und ± 5°). Der kleinste Öffnungswinkel trittbei Laser-Geräten auf. Es gibt keine scharfe Grenze zwischen dem vomSender beleuchteten und unbeleuchteten Bereich. Im Zentrum ist die In-tensität am größten. Sie nimmt um so mehr ab, je größer der Winkel ist.Der Öffnungswinkel gibt dann die Grenze des Bereichs an, in den derEmpfänger gerade noch platziert werden kann (siehe Abbildung 24). Zubeachten ist noch, dass der Wert von Gerät zu Gerät etwas streuen kann.

Trend Bei den früheren Geräten war der Öffnungswinkel größer. Das hat denVorteil, dass die Justage einfacher ist. Nachteile sind eine geringereReichweite und höhere Anfälligkeit gegen gegenseitige Beeinflussung(siehe Abbildung 26). Der Trend geht hin zu kleineren Öffnungswinkeln.

Lichtfleck Mit dem Öffnungswinkel und dem Abstand hängt auch die Größe desLichtflecks (Spot) zusammen, der bei Geräten mit Rotlicht zu erkennenist. Der Zusammenhang ist:

( 2)ar

tan arcã

r ist dabei der halbe Durchmesser des Lichtflecks und a der Abstand zumSender. In der Abbildung 24 werden andere Bezeichnungen verwendet,um zu verdeutlichen, dass es sich hierbei um die Daten des Empfängershandelt. Man muss die Formel nicht auswendig lernen, im Katalog ist derDurchmesser des Spot (Lichtfleck) bei maximaler Reichweite angegeben.

Sichtbarkeit Aus ( 2) ist auch zu erkennen, dass die Größe des Lichtflecks proportio-nal zum Abstand ist. Anders gesagt, die Intensität der Strahlung verteiltsich bei größerem Abstand auf eine größere Fläche. Je nach Umgebungs-bedingungen (Beleuchtung) ist es also immer schwieriger, den Lichtfleckzu erkennen. Das erschwert die Justage bei großen Abständen zwischenSender und Empfänger.

Montage Sender und Empfänger müssen so montiert werden, dass sich der Emp-fänger in der Sendekeule befindet und der Sender in der Empfangskeule(siehe Abbildung 24). Die größte Reichweite bzw. höchste Funktionsre-serve (Sicherheit) gegen Staub oder Verschmutzung ist bei genauesterAusrichtung von Sender und Empfänger auf der optischen Achse zu er-reichen. Bei der Justierung der Geräte ist zu beachten, dass die mechani-sche und die optische Achse durch Bauteile- und Fertigungstoleranzenunterschiedlich verlaufen können.

Ausrichtung Die mögliche Anordnung von Sender und Empfänger lässt sich nachAbbildung 24 auch rechnerisch bestimmen. In der Praxis wird man eseher durch Ausprobieren herausfinden. Die korrekte Ausrichtung zu fin-den, ist bei diesem Funktionsprinzip bei großen Abständen mühsam.Glücklicherweise Tritt dieser Fall in der Praxis selten auf. Der Hauptgrundfür den Einsatz von ELS liegt in der hohen Funktionsreserve.

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Öffnungswinkell Abweichung von der geometrischen Achse (Empfänger)RWA Arbeits-Reichweite

A = S + E maximal zulässige Winkelabweichungl = RWA x Tan E maximal zulässiger Parallelversatz

Abbildung 24: Anordnung von Sender und Empfänger

Größe und Dauer Die zu erfassenden Objekte müssen mindestens die Größe der aktivenZone (optische Achse) besitzen, um den Strahlengang zum Empfängerhin komplett zu unterbrechen. Sollen Objekte erfasst werden, die sich miteiner bestimmten Geschwindigkeit durch den Strahlengang bewegen,muss sichergestellt werden, dass die Unterbrechung des Strahlengangsausreichend lang erfolgt; diese Zeit richtet sich nach den Ansprech- undAbfallverzögerungszeiten und nach der maximalen Schaltfrequenz desEmpfängers. Das Objekt muss also gegebenenfalls entsprechend vergrö-ßert bzw. die Transportgeschwindigkeit entsprechend verringert werden(siehe 3.8).

Laser Diese Geräte haben Eigenschaften, die etwas von den oben beschriebe-nen abweichen. Die Linse fokussiert (bündelt) den Strahl ein wenig. Nachdem Austritt durch die Linse laufen die Strahlen zusammen, bis der ge-ringste Durchmesser erreicht ist. Dann laufen sie langsam wieder ausein-ander (siehe Abbildung 16). Das hat zur Folge, dass man drei Zonen un-terscheiden kann:

Nahzone Kurz vor der Linse, vor dem Gerät, kann man sich am Durchmesser derLinse orientieren. Das Objekt sollte mindestens diesen Durchmesser ha-ben, damit es sicher erkannt wird.

kleinstes erkennbares Objekt Der besondere Vorteil von Lasergeräten besteht darin, dass man mit ih-nen besonders kleine Objekte erkennen kann. Die Fokussierung dient u.a. dazu diesen Vorteil noch besser auszunutzen. Diese sollten sich in demBereich des minimalen Durchmessers des Lichtflecks befinden.

Fernzone Hier öffnet sich der Strahl wie bei den oben beschriebenen Geräten so-weit, bis der Empfänger nicht mehr anspricht. Hätte man exakt parallellaufende Strahlen, dann hätte man auch in großer Entfernung noch einengut sichtbaren Lichtfleck und könnte somit noch größere Reichweiten er-

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zielen. Das gelingt aber nur bei Präzisionsinstrumenten. In diesem Fallwäre eine exakte Ausrichtung des Empfängers noch erheblich schwieri-ger. Außerdem wäre dann auf Grund der Fertigungstoleranzen mit gro-ßen Streuungen bei der Reichweite zu rechnen. Das wird durch die Fo-kussierung vermieden.Die Werte für das kleinste erkennbare Objekt, für den maximalen Durch-messer des Lichtflecks usw. hängen vom Typ ab und sind in den Daten-blättern zu finden. Ein Beispiel findet sich in 2.3.4.

3.2.2 Hinweise zum praktischen Einsatz von ELS

Gegenseitige Beeinflussung mehrerer Einweglichtschranken

Wenn zwei oder mehr dieser Einweglichtschranken nebeneinander mon-tiert werden sollen, muss dafür gesorgt werden, dass sie sich nicht ge-genseitig beeinflussen. Dazu müssen sie einen Mindestabstand e einhal-ten (in Abbildung 25 durch den Pfeil dargestellt). e hängt ab vom Öff-nungswinkel der "Keulen" und von der Entfernung zwischen Sender undEmpfänger.

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ÎÉß

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ÍïÛï

Ûî

Abstand e

Abbildung 25: Mindestabstand zweier ELS

Der Zusammenhang wird durch folgende Formeln beschrieben:

( 3) ø ÷e RWA S Stan 1 2 oder

( 4) ø ÷tan S EARW

e1 2õ ã

Was ist zu tun? Es gibt in der Praxis Situationen, wo man eine solche Anordnung schlechtvermeiden kann. Um Störungen zu vermeiden, gibt es verschiedeneMöglichkeiten.

Abhilfe bei der Parallelmontage mehrerer Einweglichtschranken schafftdas abwechselnde Montieren von Sender und Empfänger (sieheAbbildung 27, hier könnte der Abstand e im Extremfall 0 sein).

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Í

Í

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Û

Abbildung 26: Gegenseitige Beeinflussung von ELS

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ÍÛ

Abbildung 27: Abwechselnde Montage von S und E

Außerdem kann man durch Hauben oder Blenden zwischen den Licht-schrankenpaaren eventuelle Störungen ausschalten. Beim Einsatz vonHauben sollte man beachten, dass sich die Reichweite (Funktionsreserve)verringert, wenn die Hauben zu lang sind (vgl. Abbildung 32).

Reflektierende Objekte Auch reflektierende Objekte können zu einer gegenseitigen Beeinflus-sung von ELS führen.

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Abbildung 28: Beeinflussung von ELS durch reflektierende Objekte

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Was ist zu tun? Hier können z. B. Blenden eingesetzt werden.

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Abbildung 29: Blenden bei ELS 1

Beeinflussung durch Fremdlicht Um eventuell auftretende Probleme durch Fremdlichteinstrahlung schonbei der Montage auszuschließen, sollte man vermeiden, dass das Fremd-licht direkt in die Empfängeroptik strahlen kann.

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Abbildung 30: Beeinflussung durch Fremdlicht

Was ist zu tun? Das kann z. B. durch schräges Anordnen der optischen Achse zumFremdlichteinfall oder durch Aufsetzen einer Haube mit nicht glänzenderInnenseite auf den Empfänger vermieden werden.

Abbildung 31: Schwenken der optischen Achse

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Í Û

Abbildung 32: Haube auf Empfänger

Eine weitere Möglichkeit ist die Reduzierung der Empfindlichkeit amEmpfänger. Diese ist aber allerdings nicht so günstig, da sich hierdurchgleichzeitig die mögliche Reichweite des Systems verschlechtert und da-mit auch die Funktionsreserve verringert wird.

Reflexe aus der Umgebung Andere Schwierigkeiten können bei der Montage durch Reflexion vomBoden entstehen.

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Abbildung 33: Reflexion vom Boden

Was ist zu tun? Lösungsmöglichkeiten sind:  Sender und Empfänger durch Distanzstücke weiter vom Boden ent-

fernen;  die Reflexion vom Boden durch eine nichtreflektierende Bodenober-

fläche ausschalten;  die Reflexion durch auf dem Boden angebrachte Blenden umleiten

oder absorbieren.

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ÛÍ

Abbildung 34: Distanzstücke

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Abbildung 35: Blenden bei ELS 2

Merkmale der Einweglichtschranke In der folgenden Übersicht werden die wesentlichen Merkmale kurz zu-sammengefasst.

  große Reichweite, weil das Licht nur einmal direkt vom Sender zumEmpfänger läuft.

  große Funktionsreserve  großer Arbeitsbereich, von "Anfang bis Ende" der optischen Achse  präziser Schaltpunkt entlang der optischen Achse  2 getrennte Geräte sind zu montieren und anzuschließen  unsicheres Erkennen von transparenten Gegenständen  sicheres Erkennen von undurchsichtigen Gegenständen  genaueste Justage ist Voraussetzung für sicheres Arbeiten

Transparente Gegenstände können manchmal erkannt werden, wenn dieEmpfindlichkeit des Empfängers verstellt wird. Um jedoch eine möglichsthohe Betriebssicherheit zu erzielen, sollte die Empfindlichkeit des Emp-fängers immer auf Maximum stehen.

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3.3 Die Reflexlichtschranke

3.3.1 Funktionsweise

Eine weitere Möglichkeit, Objekte optisch zu erfassen, bietet die soge-nannte Reflexlichtschranke RLS. Das Prinzip ist ähnlich der einer Einweg-lichtschranke, jedoch sind hierbei Sender und Empfänger in einem Ge-häuse untergebracht. Damit das Sendelicht auf den Empfänger treffenkann, wird es mit Hilfe eines Spiegel reflektiert. Auch bei diesem Prinzipwird die Unterbrechung des Lichtstrahls zum Empfänger hin ausgewertet(in der IEC 60947-5-2 als Typ R bezeichnet).

.

Abbildung 36: Funktionsprinzip Reflexlichtschranke

Planspiegel Steht der Spiegel dabei nicht genau senkrecht zur optischen Achse, fälltdas reflektierte Licht nicht mehr auf den Empfänger. Aber auch bei genausenkrechter Ausrichtung wird nur wenig Licht in Richtung auf den Emp-fänger reflektiert, da bei dem Einsatz eines normalen Spiegels die Licht-strahlen im Einfallswinkel vom Lot wegreflektiert werden. D.h. nur dieStrahlen die senkrecht auf den Spiegel treffen, werden auf den Empfän-ger zurückgeworfen (siehe Abbildung 37).

Tripelspiegel Um dies zu vermeiden, d. h. um zu erreichen, dass möglichst viel Lichtzum Empfänger gelangt, wird ein Tripelspiegel eingesetzt. Anders als beieinem normalen Planspiegel, wird hierbei ein auftreffender Lichtstrahlimmer in die Richtung reflektiert, aus der er gesendet wurde (Anmer-kung: Tripel kommt von drei, das hat nichts mit Trippelschritten zu tun).

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Abbildung 37: Spiegel bei RLS

15° Dadurch dass der Tripelspiegel bis zu 15 Grad schräg zum Sendestrahlangeordnet werden kann, ohne große Reflexionsverluste zu erhalten, istein einfache Montage möglich.

Ein Tripelspiegel besteht aus vielen kleinen Prismen, aus Tripeln, die mansich als abgeschnittene Ecken eines Würfels (rechtwinklige Flächen) vor-stellen kann. Man kann beweisen, dass jeder Lichtstrahl, der nicht zuschräg (o 15° ist schon ein beachtlicher Spielraum) auf den Tripel fällt,exakt parallel in die Richtung reflektiert wird, aus der er kam.

Abbildung 38: Reflexion am Tripel

Das ist in drei Dimensionen zeichnerisch schwer darzustellen, daher sollAbbildung 38 das in zwei Dimensionen verdeutlichen. Man sieht leicht,dass ein Strahl, der unter genau 45° auf eine Fläche fällt, exakt parallel(wenn auch versetzt) reflektiert wird. Wenn man das Reflexionsgesetz(Einfallswinkel = Ausfallswinkel) berücksichtigt, kann man erkennen, dassauch der schräge Strahl parallel reflektiert wird.

Wie sieht der Tripelspiegel genau aus? In Abbildung 39 ist das dargestellt.Teilweise ist der Kunststoff selbst gut reflektierend, so dass er nicht wei-ter behandelt werden muss. Meist wird durch eine Beschichtung (Be-dampfung) mit einer dünnen Aluminium-Schicht für gute Reflexionsei-

Optische Sensoren

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genschaften gesorgt. Die Eigenschaften, die für die praktische Anwen-dung von Bedeutung sind, werden in 3.3.2.2 und 3.3.2.3 beschrieben.

Man sieht auch, dass hier die Reflexion in drei Dimensionen schwer dar-zustellen ist. Um die Funktionsweise eines Tripelspiegels zu verstehen, ge-nügt die zweidimensionale Darstellung von Abbildung 38.

Abbildung 39: Aufbau eines Tripelspiegel

Tripelspiegel und Lasergeräte Hier sind die speziellen Eigenschaften des Lasers zu beachten. DiesesThema wird im separaten Kapitel 3.3.2.2 behandelt.

Reflexfolie Statt des Tripelspiegels kann auch eine Reflexfolie eingesetzt werden. Beidieser Folie wird das Licht ebenfalls in die Einfallsrichtung zurückgestrahlt.Jedoch verringert sich bei der Folie die Reichweite der Reflexlichtschrankeauf ca. 70 %.

1 lichtdurchlässige Schicht2 Glaskugel3 Grundschicht (Träger)4 reflektierende Schicht

Abbildung 40: Aufbau der Reflexfolie

Bei der Reflexfolie werden Glaskugeln auf eine reflektierende Schichtaufgebracht und mit einer lichtdurchlässigen Schicht fixiert. Darunter be-findet sich die Grundschicht, die als Träger dient (Abbildung 40). DerLichtweg ist in Abbildung 41 zu sehen.

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T Transmitter (Sender), LichtquelleR Receiver (Empfänger), Fotozelle

Abbildung 41: Lichtweg bei der Reflexfolie

Es sind inzwischen auch Reflexfolien mit besseren Reflexionseigenschaf-ten erhältlich. Dabei werden Tripel an Stelle der Glaskugeln verwendet.

Die Eigenschaften des Tripelspiegels werden durch die folgendeAbbildung 42 wiedergegeben.

1 Reflexion beim Tripelspiegel2 Reflexion bei weißem Papier

Auftreffwinkel

Abbildung 42: Winkelabhängigkeit beim Tripelspiegel

Das gute Reflexionsvermögen des Tripelspiegels bei verschiedenen Ein-strahlwinkeln ist in Abbildung 42 gut zu erkennen. Es handelt sich dabeium eine sogenannte �typische� Kurve.

typisch Hier, wie in weiteren Diagrammen, werden typische Kurven dargestellt.Das heißt, die Kurve ist bei unterschiedlichen Geräten, hier Tripelspiegel,auch unterschiedlich. Sie soll das Verhalten anschaulich zeigen. Es wäreein viel zu großer Aufwand, für jeden Tripelspiegel mit jeder RLS eine sol-che Kurve aufzunehmen. Es ist für die Praxis unerheblich, ob z. B. bei ei-

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nem höherwertigen Spiegel das Maximum vielleicht bei 75 % liegt oder,ob die Kurve für eine andere Lichtschranke etwas breiter verläuft.

In der folgenden Abbildung 43 ist wie in Abbildung 23 für die ELS dieCharakteristik der RLS aufgetragen.

1 TripelspiegelWF Wirkfläche = EmpfangscharakteristikSF Schaltfläche = aktive Zone

R Öffnungswinkel

Abbildung 43: Empfangscharakteristik einer Reflexlichtschranke

Die aktive Zone bei Reflexlichtschranken verändert entlang der optischenAchse ihre Größe. Sie entspricht am Gerät etwa dem Durchmesser Emp-fängerlinse, wird in Richtung auf den Tripelspiegel größer, bis sie schließ-lich den Durchmesser des Spiegels erreicht. Soll dort ein Objekt erkanntwerden, muss es mindestens den gesamten Spiegeldurchmesser abdek-ken. Näher am Empfänger kann das Objekt entsprechend kleiner sein.Um ein Objekt immer sicher erkennen zu können, ist seine minimaleGröße somit abhängig von der Spiegelgröße und von seinem Abstandzum Empfänger. Dabei ist noch zu beachten, dass die Reichweite derLichtschranke abhängig ist von der Größe des Tripelspiegels. In Daten-blättern und Katalog wird der maximale Wert für TS80 (Tripelspiegel mit80mm Durchmesser) angegeben.

Justierhilfe Eine Hilfe bei der genauen Justierung des Spiegels bietet folgende Me-thode: Man verkleinert die Reflexionsfläche des Spiegels durch Abklebenmit Klebeband und lässt nur ein kleines Feld in der Mitte frei. Arbeitet dieLichtschranke dann einwandfrei, so ist sie genau auf die Spiegelmitteausgerichtet. Entfernt man danach das Klebeband wieder, so erhält mandie größtmögliche Betriebssicherheit.

Folgende Merkmale der Reflexlichtschranke lassen sich auflisten:

  Transparente Gegenstände werden manchmal nur erkannt, wennman die Empfindlichkeit des Empfängers verstellt.

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Hier ist der Hinweis angebracht, dass die Empfängerempfindlich-keit bei Lichtschranken (ELS oder RLS) immer auf maximal stehensollte, wenn ein undurchsichtiges Objekt erkannt werden soll,um so eine möglichst hohe Betriebssicherheit zu erzielen.

  Spiegelnde Gegenstände werden unter Umständen nicht erkannt.

3.3.2 Hinweise zum praktischen Einsatz von RLS

3.3.2.1 Geräte mit Polfilter

Wie können spiegelnde Objekte erkannt werden?

Dazu gibt es zwei Möglichkeiten

1.Strahlrichtung Durch Schrägstellen von Lichtschranke und Spiegel zum Objekt wird dasLicht nicht mehr vom Gegenstand zum Empfänger reflektiert. So ist einsicheres Erkennen auch reflektierender Objekte möglich.

Abbildung 44: Spiegelnde Objekte 1

Abbildung 45: Spiegelnde Objekte 2

2. Reflexlichtschranke mit Polfilter Eine sichere Möglichkeit zum Erfassen von spiegelnden Objekten bietendie Reflexlichtschranken mit Polarisationsfilter. Das vom Sender einer Re-flexlichtschranke ausgehende Licht enthält Wellenzüge jeder beliebigenOrientierung (siehe 2.1.1). Das ist bei praktisch jeder Lichtquelle der Fall(Ausnahme: bestimmte Lasertypen). Das Einschränken dieser Schwin-gungsrichtungen auf eine bestimmte Orientierung wird polarisieren ge-nannt. Erreicht wird das durch Filter, Polarisationsfilter oder kurz Polfilter.

Vor dem Verlassen des Gerätes wird durch ein Polarisationsfilter (Polarisa-tor) dafür gesorgt, dass nur noch Licht einer bestimmten Polarisations-

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richtung ausgestrahlt wird. Trifft dieses Licht auf einen spiegelnden Ge-genstand (z.B. Metalldosen, Gläser, Spiegel), so verändert sich die Polari-sationsrichtung der reflektierten Strahlung nicht. Das so reflektierte Lichtfällt in Richtung auf den Empfänger. Doch vor dem Empfänger ist einzweites Polarisationsfilter (Analysator) angebracht, dessen Filterrichtungsenkrecht zum ersten Filter steht. Das bedeutet, dass der Lichtstrahl nichtzum Empfänger gelangen kann (siehe Abbildung 46). Vom Gerät wird dieLichtunterbrechung ausgewertet und das Erkennen eines Gegenstandessignalisiert.

1 spiegelnde Oberfläche

Abbildung 46: Reflexion am Objekt

Fällt der Lichtstrahl jedoch auf einen Tripelspiegel, so wird durch dessenWirkung die Polarisation des Sendelichts um ca. 90 Grad gedreht. Das soveränderte Licht gelangt auf dem Rückweg zum Empfänger durch einzweites Polarisationsfilter. Das heißt, es wird keine Lichtstrahlunterbre-chung ausgewertet.

1 Optik2 TripelspiegelT Transmitter (Sender)R Receiver (Empfänger)

Abbildung 47: Reflexion am Tripelspiegel

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Die einfache Standard-Reflexfolie dreht die Polarisationsrichtung nicht!Sie ist also nicht für die Verwendung mit einem Polfiltergerät geeignet.

Als Zubehör gibt es eine speziell für den Einsatz mit Polfilterlichtschran-ken gefertigte Reflexfolie. Sie besitzt die Eigenschaft des Tripelspiegels,die Polarisationsebene zu drehen. Doch muss hierbei die Ausrichtung derFolie immer senkrecht zur Optik, also passend zur Ausrichtung der Polfil-ter erfolgen, um eine möglichst große Reichweite bzw. Funktionsreservezu erzielen.

Die meisten Polfiltergeräte arbeiten mit einer Rotlichtdiode, da die ver-wendeten Polarisationsfilter nur im sichtbaren Strahlungsbereich hinrei-chend gut funktionieren.

Hinweise:  Durch den Einbau der Filter und der Verwendung von Rotlicht-Sen-

dedioden verringert sich die Reichweite der Lichtschranke auf ca.50 % im Vergleich zur herkömmlichen Lichtschranke gleicher Bau-form.

  Zu beachten ist, dass bei mehrschichtigen hochglänzenden Folien mitmetallischem Untergrund, z. B. bei Lachspackungen oder bei in Klar-sichtfolien verpackten metallisierten Pappkartons, wie z. B. Ge-schenkpackungen oder Süßwaren, der gleiche Effekt auftreten kannwie bei dem Tripelspiegel. Er kann auch auftreten, wenn eine Foliebeim Verpacken straff gespannt wird. D.h. beim Abtasten des soverpackten Objektes mit Hilfe der Reflexlichtschranke wird die Polari-sationsrichtung des Sendelichts gedreht und der Gegenstand in derFolie wird unter Umständen nicht erkannt.

Sicherheit Mit Störungen durch Reflexe am Objekt muss häufig gerechnet werden.In der Praxis werden daher in den meisten Fällen Geräte mit Polfilter ein-gesetzt, um diese Möglichkeit von vornherein auszuschließen. Die Verrin-gerung der Reichweite kann eher in Kauf genommen werden, weil mannur in Sonderfällen an den Grenzbereich der Reichweite geht (siehe auch3.2.2 und 3.7).

3.3.2.2 Lasergeräte und Tripelspiegel

Laser und Tripelspiegel Ein aktuelles Thema sind Laserlichtschranken, deren Grundlagen in 2.3beschrieben wurden. Diese werden auch als RLS eingesetzt. Dabei hat diePraxis gezeigt, dass es hier in besonderem Maße auf die Qualität des Tri-pelspiegels ankommt.

Der Laserstrahl ist sehr präzise fokussiert. Der Durchmesser des Lichtflecksist, je nach Typ (siehe 2.3.4), so klein, dass eine zuverlässige Funktion derLichtschranke nicht mehr gewährleistet ist, wenn der Strahl genau auf dieKante eines Tripels fällt. Das lässt sich mit einem einfachen Tripelspiegeldemonstrieren, der in nicht zu großem Abstand vor der Lichtschrankesitzt. Wird der Spiegel vor der Laser-Lichtschranke seitlich hin und herbewegt, dann flattert der Ausgang. Jedes Mal wenn der Lichtstrahl aufeine Kante fällt, wird zu wenig Licht zurückreflektiert. Die Lichtschrankewertet das als Unterbrechung des Lichtstrahls durch ein Objekt.

Das ist der Grund dafür, dass spezielle, hochwertige Tripelspiegel für La-ser-RLS ins Zubehörprogramm aufgenommen wurden. Je nach Abstandsollten unterschiedliche Typen verwendet werden. Wird der Spiegel in

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dem Abstand angebracht, in dem der Laserstrahl seinen kleinstenDurchmesser hat (zu den Daten siehe 2.3.4, Abbildung 16), dann sollteein Tripelspiegel mit sehr kleinen Tripeln verwendet werden. Damit ist si-chergestellt, dass der Strahl nicht nur auf eine Kante fallen kann. Hierbeiist aber zu beachten, dass der Anteil der Kanten an der gesamten Flächeum so größer ist, je größer die Anzahl der Tripel ist. Das hat zur Folge,dass sich die Reichweite bei diesen Spiegeln verringert. Sie sollten alsonur im beschriebenen kritischen Bereich und nicht in größeren Abständenverwendet werden.

Übersicht Reichweite Im Anhang, Seite 164, ist eine Tabelle mit Werten für die Reichweiten derverschiedenen Sensorbauformen auf die verschiedenen Spiegel zu finden.

Zusammenfassung Spiegel in geringer Entfernung Spezialspiegel (�Laserspiegel�)Spiegel in größerer Entfernung Standardspiegel�Gering� ist die Entfernung, bei der der Strahldurchmesser klein ist, sieheAbbildung 16. �Größer� ist die Entfernung, bei der der Strahl mindestensden Durchmesser eines Tripels hat.

3.3.2.3 Tripelspiegel

Die folgenden Aussagen beziehen sich auf alle RLS, nicht nur auf Laser-Geräte. In der Tabelle, Seite 164, sind die Reichweiten aufgeführt.

Nachdem im Zusammenhang mit den Lasergeräten die Bedeutung derQualität von Tripelspiegeln deutlich geworden ist, wurde ein neuer Liefe-rant für diese Zubehörteile gewählt. Die neue Generation von hochwerti-gen Tripelspiegeln wird für alle RLS verwendet.

Reichweite Es gibt verschiedene Hersteller von Tripelspiegeln. die diese für unter-schiedliche Zwecke herstellen. Im Prinzip arbeitet eine Reflexlichtschrankemit jedem beliebigen Tripelspiegel oder Reflektor (Einschränkung: Polfil-tergeräte, siehe 3.3.2.1). Dabei ist zu beachten, dass sich die Daten fürdie Reichweite auf bestimmte Spiegel beziehen. Bei Verwendung andererTripelspiegel verändert sich auch die Reichweite. Da als Referenz hoch-wertige Spiegel verwendet werden, ist damit zu rechnen, dass sich dieReichweite bei anderen Spiegeln verringert. Der Aufbau des Tripelspiegels(Größe der Tripel, Material usw.) bestimmt auch weitere Eigenschaften(siehe 3.3.2.2 und weiter unten).

Tripelspiegel im Nahbereich Die Qualität eines Tripelspiegels hängt von der Präzision seiner Fertigungab. Eine gewisse Ungenauigkeit im Winkel ist, besonders bei kurzen Ent-fernungen, nicht von Nachteil. Die Lichtschranke kann natürlich nichtsinnvoll arbeiten, wenn das Licht, das vom Sender kommt, exakt auf die-sen wieder reflektiert wird. In diesem Zusammenhang ist es eher günstig,wenn die Tripel groß sind, so dass der Parallelversatz (vgl. Abbildung 38)möglichst groß ist, damit das Licht auch auf den Empfänger fallen kann.

Totbereich Ist der Spiegel zu nahe an der RLS montiert, kann diese nicht zufrieden-stellend arbeiten. Man spricht von einem Totbereich. Selbstverständlichfunktioniert die Reflexlichtschranke auch im Totbereich nach dem Funkti-onsprinzip der Lichtstrahlunterbrechung, jedoch darf der Tripelreflektornicht in den Totbereich kommen. Die Größe des Totbereichs der einzel-nen Bauformen entnehmen Sie bitte der Tabelle Reichweiten auf Tripel-spiegel, Seite 164.

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Autokollimation Ausgenommen von der Problematik des Totbereichs sind die BauformenOCP, OCPG, OCPL, OJP und OJPL. Diese Geräte arbeiten nach dem sog.Autokollimationsprinzip. Hier �sehen� Sender und Empfänger durch eineOptik. Sender und Empfängerkeule werden erst im Gerät durch einenhalbdurchlässigen Spiegel getrennt. Dieser Lichtweg wird auch als konfo-kal bezeichnet.

Abbildung 48: Autokollimation

Umgekehrt reduziert es natürlich die Reichweite (oder Funktionsreserve,siehe 3.7), wenn der Spiegel streut. Außerdem ist es aufwendig, präziseSpiegel mit großen Tripeln zu fertigen. Solche Tripelspiegel werden ausGlas gefertigt und sind teurer als Kunststoffspiegel.

Material und Temperatur In den meisten Ausführungen von Tripel-Reflektoren sind die optischenFlächen aus PMMA (Plexiglas) und der Basisträger aus ABS. Die Einzeltri-pel sind bei diesen Ausführungen temperaturempfindlich. Damit die opti-schen Eigenschaften erhalten bleiben sollten Kunststoff Tripel-Reflektorennicht in Bereichen über 58°C eingesetzt werden (TemperaturbereichStandardtripelreflektor -10... +58°C) .In Hochtemperaturbereichen solltenGlastripelreflektoren eingesetzt werden.

Glasspiegel und Polfilter Vorsicht: Glastripelreflektoren haben je nach Ausführung nicht die Eigen-schaft die Lichtebene zu drehen und sind somit nicht für den Einsatz mitPolfiltergeräten geeignet.

Befestigung Ein dauerhaft sicherer Betrieb von Reflektoren wird erreicht durch gutemechanische Befestigung. Hier stehen je nach Ausführung der Tripelre-flektoren drei Möglichkeiten zur Verfügung :

1. Schraubbefestigung mittels vorhandener Bohrungen2. Schraubbefestigung mittels eingespritztem Gewinde3. Befestigung durch Spreizniet

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Reflektoren mit glatter Rückwand ohne diese mechanischen Befesti-gungsmöglichkeiten werden geklebt.

1. Durch Doppelklebeband (Teppichband) oder2. Geeignetem Kleber (Uhu plus o. Ä.) oder3. Durch Silicon (z. B Sanitärsilikon oder Bausilikon). Auf die Verwendung vonAcrylkleber sollte verzichtet werden.

Bei allen Arten der Klebung ist auf saubere und fettfreie Kontaktflächenzu achten.

Flaschen zählen Dieser Anwendungsfall ist deshalb kritisch, weil der Lichtstrahl nur weniggeschwächt wird, wenn er senkrecht die Oberfläche eines transparentenObjektes aus Glas oder Kunststoff (Folie) durchdringt. Daneben kann esauch an den Rändern des Objekts unvorhergesehene Effekte geben. Fürdiesen Spezialfall gibt es ein Gerät mit besonderen Eigenschaften, denOCPG. Wenn es auf transparente Objekte reagieren soll, dann muss esalso auf kleine Signaländerungen reagieren. damit ist es aber besondersempfindlich gegen Verschmutzung. Das wird bei diesem Gerät dadurchkompensiert, dass die Schaltschwelle dem Grad der Verschmutzungnachgeführt wird.

3.3.2.4 Zusammenfassung

Merkmale der Reflexlichtschranke Im folgenden werden die wesentlichen Merkmale noch einmal kurz zu-sammengefasst.

  mittlere Reichweite, ca. halb so groß wie bei einer entsprechenden Ein-weglichtschranke, da doppelter Strahlenweg

  nur ein elektrisches Gerät für Sender und Empfänger  einfache Montage von Tripelspiegel oder Reflexfolie  präzises Erkennen von Objekten entlang der gesamten optischen Achse

(eventuell ist der Zusammenhang zwischen Größe und Abstand von Objek-ten zu beachten, siehe Abbildung 43)

  sicheres Erkennen von spiegelnden Objekten bei Geräten mit Polfiltern  unsicheres Erkennen von transparenten Gegenständen  sicheres Erkennen von undurchsichtigen Gegenständen

Schulungsunterlagen

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3.4 Der Reflexlichttaster

3.4.1 Funktionsweise

Eine weitere Möglichkeit Gegenstände optisch zu erfassen, bietet derLichttaster. Der Aufbau entspricht dem einer Reflexlichtschranke. Auchhier befinden sich Sender und Empfänger in einem Gehäuse.

Abbildung 49: Funktionsprinzip: Reflexlichttaster

Ähnlich der RLS, wird auch hier, beim RLT das reflektierte Licht zur Aus-wertung benutzt. Jedoch arbeitet der Taster nicht mit dem reflektiertenLicht eines Tripelspiegels oder einer Reflexfolie, sondern mit dem Licht,das von dem zu erfassenden Gegenstand reflektiert wird. Dieses Prinzipkommt der Arbeitsweise der induktiven und kapazitiven Näherungsschal-ter am nächsten (Typ D laut IEC 60947-5-2).

.Zwei Zustände werden unterschieden:

Objekt vorhanden Objekt nicht vorhandenReflexion des SendelichtsSendelicht fällt auf den EmpfängerObjekt erkannt

keine Reflexion des Sendelichtskein Licht fällt auf den EmpfängerObjekt nicht erkannt

Welchen Zustand der Schaltausgang einnimmt, wird in 3.6 besprochen.

Der Taster bietet gegenüber Einweg- und Reflexlichtschranke folgendeVorteile:

  Einfache Montage, da nur ein Gerät zu montieren ist.  Es kann kein Spiegel dejustiert werden oder verschmutzen  Das Erkennen von transparenten Gegenständen ist sicherer möglich,

als bei der Einweg- oder Reflexlichtschranke.

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Allerdings sind beim Einsatz von Tastern folgende Punkte zu beachten:

  Da die direkte Reflexion des Lichts vom Objekt erfasst und ausgewer-tet wird, ist das Erkennen von Objekten stark von deren Reflexions-fähigkeit, also der Oberflächenbeschaffenheit und der Farbe der Ob-jekte abhängig (glatt, spiegelnd, weiß, grau, schwarz).

  Da die Objekte in der Regel ein geringeres Reflexionsvermögen besit-zen (siehe Abbildung 42), als z.B. der Tripelspiegel, ist bei Tastern derBereich, in dem Objekte erfasst werden, kleiner als bei Lichtschran-ken (aktive Zone). Auch existiert kein objektunabhängiger Schalt-punkt, da dieser auch von der Reflexionsfähigkeit des Objekts ab-hängt.

WF WirkflächeSF Schaltfläche

T Öffnungswinkel1 Empfangscharakteristik

Abbildung 50: Empfangscharakteristik des Reflexlichttasters

In Abbildung 50 sieht man die typische Empfangscharakteristik eines Tas-ters. Die Grenzen der Kurven ergeben sich durch seitliches oder frontalesAnfahren mit einem Referenzobjekt (weiße Rückseite der Kodak GrayCard) ähnlich wie bei induktiven und kapazitiven Näherungsschaltern.

Auch die Ein- und Ausschaltkurven ähneln denen anderer Näherungs-schalter. Man erkennt deutlich die Hysterese für seitliche und frontaleÄnderung bei einem Objekt mit fester Größe, um ein sicheres Schaltendes opto-efectors zu gewährleisten (siehe Abbildung 41.

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Abbildung 51: Anfahrkurve

3.4.2 Hinweise zum praktischen Einsatz von RLT

3.4.2.1 Tastweite

Was bedeutet �Tastweite� praktisch? Die in den Datenblättern angegebene Tastweite ist auf ein Referenzmate-rial bezogen. Daraus lassen sich keine exakten Werte für Materialien mitanderen Eigenschaften berechnen. Um herauszufinden, ob die Tastweiteausreicht, um bestimmte Objekte sicher zu erfassen, ist man auf prakti-sche Versuche angewiesen. Näherungsweise kann das Referenzmaterialdurch weißes Papier, 200 mm *200 mm, ersetzt werden.

Die Abhängigkeit der Tastweite von den Eigenschaften des Objekts lässtsich also nicht immer einfach quantifizieren. Folgende Eigenschaften ge-ben Hinweise darauf:

Fläche Am einfachsten ist zu erkennen, dass ein großer Gegenstand mehr Lichtreflektiert als ein kleiner, so dass die Tastweite besonders auch von derGröße der Objekte abhängt

Der Zusammenhang wird in Abbildung 52 dargestellt Hierbei handelt essich wieder um eine �typische� Kurve (vgl. 3.3.1, Erläuterung zuAbbildung 42)

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Abbildung 52: Tastweite und Fläche

Farbe Im allgemeinen kann man davon ausgehen, dass helle Farben besser re-flektieren als dunkle. In 2.2.3 wurde erläutert, dass die Farbe eines Ob-jekts dadurch zustande kommt, dass bestimmte Bereiche der Wellenlängebesser reflektiert werden als andere. Wir können diese Eigenschaft natür-lich nur bei sichtbarem Licht erkennen. Es ist möglich, dass die Reflexions-eigenschaften für infrarotes Licht sich deutlich von denen im sichtbarenBereich unterscheiden. Das heißt, dass man sich nicht immer auf denFarbeindruck verlassen kann. Mit dieser Einschränkung kann man den Zu-sammenhang zwischen Farbe und Tastweite in folgender �typischen�Kurve auftragen. Es gibt zwar meist Unterschiede in der Tastweite bei un-terschiedlichen Farben. Die Kurve verläuft allerdings ziemlich flach.

Abbildung 53: Tastweite und Farbe

Belichtung Ein ähnliches Problem ergibt sich übrigens auch für den Belichtungsmes-ser in der Fotografie. Er ist auf einen Reflexionsgrad von 18 % bei einer

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grauen Fläche (Kodak Gray Card) eingestellt. Besonders bei farbigen Ob-jekten oder starken Kontrasten kann das zu Fehlmessungen führen.

Beschaffenheit Die Abhängigkeit der Tastweite von der Beschaffenheit der Oberflächelässt sich nicht mehr so einfach grafisch darstellen. Als Faustregel kanngelten: raue Oberflächen reflektieren schlechter als glatte.

In der Praxis treten diese Einflüsse natürlich zusammen auf. Es ist klar,dass z. B. schwarzer Samt schlechter reflektiert als eine polierte Metallo-berfäche. Dagegen ist es bei einer glatten, dunklen oder einer hellen,rauen Fläche nicht immer leicht vorherzusehen, welcher Einfluss über-wiegt. Das ist am besten durch Versuche herauszufinden.

Ist eine große Reichweite sicher? Wenn die Tastweite auf undurchsichtige Weise mit den Materialeigen-schaften zusammenhängt, könnte man zu dem Schluss kommen, dass esam besten ist, einen Taster mit möglichst großer Reichweite einzusetzen.Das ist aber nicht der Fall. Dabei ist nämlich auch der folgende Punkt zubeachten.

Hintergrund Der RLT ist anfällig für Störungen durch gut reflektierende Objekte imHintergrund. Das hängt damit zusammen, dass selbst helle Flächen, z. B.weißes Papier, nur relativ wenig Licht zum Empfänger zurückreflektieren(vgl. Abbildung 42). Eine glatte Oberfläche, z. B. eine Fensterscheibe,oder eine reflektierende Folie an einem Kleidungsstück, können einenTaster noch in Entfernungen stören, die ein Vielfaches der Tastweite be-tragen.

Kurz und knapp Die bisher beschriebenen Eigenschaften sollen zu besseren Übersicht zu-sammengefasst werden:

Wichtigste Merkmale beim Einsatz von Reflexlichttastern

  Die Tastweite ist stark abhängig von der Farbe und Oberflächenbe-schaffenheit der Objekte.

  Die Taster müssen so eingestellt sein, dass sie sauber das Objekt,aber nicht den Hintergrund erkennen.

  Es können sich Probleme ergeben durch reflektierende oder sehrhelle Gegenstände auch außerhalb des Tastbereiches.

Was ist zu tun? Es gibt im wesentlichen zwei Möglichkeiten  optimale Einstellung vornehmen  Geräte mit speziellen Eigenschaften verwenden

3.4.2.2 Einstellung

Zuerst soll darauf hingewiesen werden, dass die Empfindlichkeit in derRegel nicht verstellt werden sollte. Das gilt auch für den RLT, erst rechtfür die ELS und RLS. Wenn der Hintergrund einen RLT stört, dann ist diebeste Lösung, ihn durch ein Gerät mit Hintergrundausblendung (siehe3.4.2.3) zu ersetzen. Der Anwender muss bedenken, dass eine Änderungder bei Auslieferung eingestellten Empfindlichkeit meist eine Verringe-rung bedeutet. Das führt zu einer geringeren Funktionsreserve (siehe3.7).

was bedeutet optimale Einstellung? Die Antwort hängt mit der Funktionsreserve zusammen und wird dort(siehe 3.7) genauer erläutert. In den meisten Fällen ist es optimal, wenn

Optische Sensoren

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die Funktionsreserve bezogen auf das Objekt und den Hintergrund gleichgroß ist.

praktische Einstellung Hier können zwei Fälle unterschieden werden:  manuell  automatisch

manuell Diese Art der Einstellung wird bei den Typen angewendet, die mit einemPotentiometer ausgestattet sind. Der Ablauf ist wie folgt:

1. Gegenstand im normalen Erfassungsbereich platzieren2. Empfindlichkeit am Potentiometer vergrößern, bis der Taster das Ob-

jekt erkennt (Ausgang schaltet) und diese Stellung merken.3. Gegenstand entfernen und Empfindlichkeit erhöhen, bis der Taster

auf den Hintergrund schaltet.4. Das Potentiometer zurückdrehen, bis der Ausgang wieder zurück-

schaltet.5. Nun das Potentiometer möglichst auf eine mittlere Stellung zwischen

Pos 2. und Pos 4. justieren und der Taster ist optimal auf diese An-wendung eingestellt.

Optional ist die manuelle Einstellung bei der Bauform OB, bei der dazuein elektronisches Potentiometer verwendet wird. Sie wird dadurch er-leichtert, dass hier die Funktionsreserve über LEDs angezeigt wird (siehe3.7).

automatisch Dabei wird die Intensität des Lichts vom Objekt und vom Hintergrundgemessen. Die Messung wird jeweils durch Tastendruck ausgelöst. Dannstellt sich das Gerät selbständig optimal ein (siehe 3.7).

Achtung! Es gibt Geräte, bei denen die richtige Reihenfolge zu beachten ist.

Trend Bei neu entwickelten Typen geschieht die Einstellung in der Regel auto-matisch. Dass diese Methode von Vorteil ist, wird unten beschrieben.

Welche Methode ist besser? Die automatische Einstellung ist eindeutig vorzuziehen. Das hat verschie-dene Gründe.  optimalDie oben angesprochene optimale Einstellung ist mit dem Potentiometerpraktisch nicht zu leisten. Selbst wenn die Funktionsreserve genau be-kannt wäre (beim OB ist die Auflösung der Anzeige relativ grob),bräuchte man mindestens einen Taschenrechner und man müsste dieFormel wissen, mit der dieser Wert zu ermitteln ist.  dynamischIn manchen Fällen, z. B. beim Nachjustieren bei laufendem Betrieb, ist esnicht möglich, die Reflexion eines ruhenden Objekts zu messen. Die au-tomatische Einstellung ist auch im dynamischen Fall möglich. Darunterversteht man häufige Signalwechsel, die dadurch hervorgerufen werden,dass abwechselnd ein Objekt und der Hintergrund erfasst wird, wenn z.B. Objekte auf einem Förderband am Sensor vorbeilaufen.  einfachFehler bei der Einstellung sind praktisch nicht möglich (außer wenn dieReihenfolge: zuerst Objekt, dann Hintergrund beachtet werden muss). Esmuss nicht jedes Mal eine ausgebildete Fachkraft kommen, um den Sen-sor neu einzustellen, selbst bei laufendem Betrieb nicht (siehe den Punkt:dynamisch). Unter ungünstigen Umständen zeigt das Gerät an, dass eine

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zuverlässige Einstellung nicht möglich ist. Dann lassen sich gleich bessereAlternativen suchen.  dichtEin Potentiometer ist für jedes Gehäuse eine Schwachstelle. Es ermöglichtbei Beschädigung das Vordringen von Wasser oder Öl bis zur Schaltung.Wenn z. B. kein passender Schraubendreher zur Hand ist, kann es leichtzu Beschädigungen kommen. Ein dichtes Potentiometer ist teuer.

Das alles hat dazu geführt, dass bei der neueren Gerätegeneration prak-tisch nur noch Tasten und keine Potentiometer mehr verwendet werden.Bedingung dafür ist die Verwendung von Mikroprozessoren im Gerät.Dann kann es über Tasten einfacher und besser eingestellt werden undist auch noch zuverlässiger abzudichten, was zu einer höheren Betriebssi-cherheit führt.

Damit soll die Erörterung der optimalen Einstellung abgeschlossen sein.

Wenn die Einstellung nicht möglich ist? In der Praxis treten Fälle auf, bei denen es nicht möglich ist, das Geräteinzustellen. Typische Problemfälle sind z. B.:  gut reflektierende Flächen im Hintergrund  helle Objekte vor hellem Hintergrund  geringer Abstand zwischen Objekt und HintergrundWie erwähnt, zeigt es das Gerät mit automatischer Einstellung an, wenndiese nicht gelingt. In diesem Fall ist davon auszugehen, dass auch diemanuelle Einstellung nicht möglich ist. Dann gibt es noch die oben aufge-führte Alternative, Geräte mit speziellen Eigenschaften zu verwenden.

Winkel Ein Hinweis noch zum Abschluss: wird der Taster durch Reflexionen ausdem Hintergrund an einer glatten Fläche gestört, dann kann das daranliegen, dass das Licht senkrecht auf diese Fläche fällt. Eine einfache Ver-änderung des Winkels hilft dabei, das zu vermeiden.

3.4.2.3 Hintergrundausblendung

Die verschiedenen Funktionsprinzipien und technischen Realisierungenwerden gleich im Detail erläutert. Dann werden auch die spezifischen Ei-genschaften der Geräte deutlich. Am Anfang soll ein kleiner Überblickstehen. Man unterscheidet:  Nahbereichstaster

feste Tastweite  Reflexlichttaster mit Hintergrundausblendung

einstellbare Tastweite

Bei der Einstellung der Tastweite gibt es verschiedene Möglichkeiten:  mechanisch

Der Lichtstrahl trifft auf einen Spiegel. Durch mechanische Verstel-lung des Winkels beim Spiegel wird der Entfernungsbereich verän-dert, aus dem der Lichtstrahl auf den Empfänger trifft. Dieses Verfah-ren ist, trotz Mechanik, recht genau und zuverlässig und ermöglichterstaunlich kompakte Bauformen. Es ist bei einer Reihe von Gerätenim Einsatz und wird seine Bedeutung vorläufig noch behalten.

  elektronischDamit soll die Veränderung der Empfindlichkeit mit einem Potentio-meter gemeint sein. Genau genommen wird nicht die Tastweite son-dern die Funktionsreserve verringert (siehe3.7). Diese Methode ge-hört also eigentlich nicht in diesen Zusammenhang und wird nur der

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Vollständigkeit halber erwähnt. Außerdem werden in neuere Gerätekeine Potentiometer mehr eingebaut sondern Folientasten zur Pro-grammierung.

  optischer HintergrundLetzten Endes geschieht die Signalauswertung natürlich immer elekt-ronisch. Bei der PSD-Technik oder der Diodenzeile wird aber ein opti-scher Effekt genutzt. Man kennt diesen vom Fotografieren. In derSchärfenzone wird ein Punkt als Punkt abgebildet. Ein Punkt außer-halb dieser Zone wird als Fleck mit verschwimmendem Rand, ebenunscharf abgebildet. Wenn das Empfängerelement also die Form desLichtflecks auflösen kann, dann kann damit auch die Entfernung be-stimmt werden. Man erwartet, dass diese System in Zukunft an Be-deutung gewinnt.

Nahbereichstaster und Reflexlichttaster mit Hintergrundausblendung

was ist der Unterschied? Die Arbeitsweise ist ähnlich. Der Nahbereichstaster, der zuerst beschrie-ben wird, ist einfacher, bietet aber auch weniger Möglichkeiten. Der Tas-ter mit Hintergrundausblendung ist besser unterschiedlichen Bedingun-gen anzupassen.

Abbildung 54: Reflexlichttaster ohne und mit Hintergrundausblendung nachdem Winkellichtverfahren

Totbereich In Abbildung 54 ist zunächst deutlich der Totbereich zu erkennen. EinObjekt unmittelbar vor dem Taster reflektiert das meiste Licht zurück zumSender. Die Fläche auf der sich der Lichtkegel des Senders und (der ge-dachte) des Empfängers überschneiden, muss groß genug sein, damit ge-nügend Licht auf den Empfänger fällt.

Bei der RLS ist der Totbereich lediglich bei der Entfernung des Spiegels zubeachten (siehe 3.3.2.3). Es spielt keine Rolle, wo sich das Objekt befin-det, ob es den Sende- oder den Empfängerstrahl unterbricht. Beim RLT ist

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dagegen der Totbereich der Bereich, in dem das Objekt nicht erkanntwird. Weiter unten wird beschrieben, wie bei den neuen Geräten derTotbereich praktisch auf 0 reduziert wird.

In der Abbildung 54 sieht man noch einmal das Arbeitsprinzip eines Re-flexlichttasters. Verändert man die Stellung von Sender und Empfänger,wie im unteren Teil b. der Abbildung, so ergibt sich eine Art Hintergrund-ausblendung. Ganz gleich wie der Hintergrund aussieht, er wird außer-halb des Überlappungsbereiches von Sender und Empfänger den Schalterkaum beeinflussen können. Das Prinzip heißt nach seiner Konstruktions-art Winkellichtverfahren und wird bei den sogenannten Nahbereichstas-tern verwendet.

Es ist zu beachten, dass die Empfänger werksseitig fest auf eine be-stimmte Tastweite eingestellt sind, die nicht verändert werden darf, da indiesem Fall die Hintergrundausblendung nur durch die Lage der Optik be-stimmt wird. Durch die Veränderung der Empfindlichkeit würde lediglichdie Funktionsreserve verringert. Der Strahlwinkel zwischen Sender undEmpfänger wird durch ein in die Optik eingebrachtes Spritzteil erreicht.

Reichweite Vergleicht man die technischen Daten eines Nahbereichstasters mit de-nen eines baugleichen Reflexlichttasters, so erkennt man den durch dasVerfahren hervorgerufenen Tastweitenverlust von 70 - 80 %. Hierzu einBeispiel: Die Bauform OUT hat eine Tastweite von 200 mm und der Nah-bereichstaster OUN lediglich 40 mm. Dafür ist aber der Schaltabstandbeim Nahbereichstaster weitgehend unabhängig von der Farbe und derOberflächenbeschaffenheit des Objektes (weißes Papier, schwarzer Filz).Außerdem ist das Gerät kaum anfällig gegen Beeinflussungen aus demHintergrund.

Ergebnisse beim Einsatz von Nahbereichstastern:  Schaltabstand beträgt ca. 20 % des Tasters  keine Störungen durch Spiegel oder andere hochreflektierende Ge-

genstände als Hintergrund.

Bei einem weiterem Verfahren zur Hintergrundausblendung wird mitzwei verschiedenen Empfängern gearbeitet.

Abbildung 55: Triangulationsverfahren

Triangulationsverfahren Dieses Triangulationsverfahren wertet die Reflexionen des sogenanntenFern- und Nahlichts mit Hilfe der beiden Empfänger aus und erreicht da-

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mit ebenfalls eine Hintergrundausblendung. Dieses Verfahren wird beiden Geräten OCH, OAH und OTH angewendet. Die Einstellung der Win-kel zwischen den Empfängern wird durch eine verstellbare Mechanik er-reicht.

1 Spiegel2 Empfangselemente3 Sendestrahl4 Objekt5 Hintergrund

Abbildung 56: Einstellung der Reichweite

Reichweite Die Abbildung 55 zeigt das Prinzip, die Abbildung 56 die technische Rea-lisierung. Mit Hilfe des mechanisch verstellbaren Spiegels ist die Tastweitez. B. beim OCH zwischen 20 und 250 mm einstellbar. Damit sind alsodiese Geräte besser an den Einsatzfall anpassbar. Die Einstellung ist rechtgenau. Unter idealen Bedingungen lässt sich unterscheiden, ob ein BogenKarton mehr oder weniger auf einem Stapel liegt. Der Anwender erkenntvielleicht gar keinen Unterschied zwischen der Verstellung der Reichweitedurch ein Potentiometer oder durch einen Spiegel. Diese Fälle sollten abernicht verwechselt werden.

Empfindlichkeit Die Verstellung der Tastweite beim normalen Reflexlichttaster (siehe3.4.2.2) bedeutet praktisch immer eine Verringerung der Empfindlichkeit.Damit sinkt die Funktionsreserve (siehe 3.7), was das Gerät anfälliger ge-gen Verschmutzung macht. Außerdem vergrößert sich der Totbereich. Esist daher in vielen Fällen eine bessere Lösung, ein Gerät mit speziellen Ei-genschaften an Stelle eines einfachen Tasters einzusetzen. Bei diesenspeziellen Geräten ist die Verstellung der Empfindlichkeit nicht vorgese-hen. Die hier beschriebene Einstellung der Tastweite geschieht auf andereWeise. Diese Geräte sind von vornherein auf maximale Empfindlichkeiteingestellt. Das hat zur Konsequenz, dass der Schaltpunkt kaum nochvon der Farbe des Objekts abhängt. Die Erfassung transparenter Objekteist hier am ehesten möglich.

PSD Die Abkürzung steht für position sensing device. Stellt man sich inAbbildung 55 oder Abbildung 56 die beiden Empfänger ersetzt durch ei-nen flächenförmigen Empfänger vor, dann hat man schon eine Idee, wiedas PSD arbeitet. Anstelle eines als punktförmig denkbaren Empfängers,der nur ein binäres Signal liefert (Licht wird empfangen � Licht wird nichtempfangen) kann man sich das PSD als flächenförmigen Empfänger den-

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ken. Er liefert ein analoges Signal, das davon abhängt, wie viel Prozentder Fläche von Licht getroffen werden. Das ist ein erster Schritt auf demWeg vom binären Sensor zum bildgebenden Sensor (eingesetzt z. B. beimOGH).

Diodenzeile Inzwischen hat sich herausgestellt, dass sich mit einer Zeile aus Emp-fangsdioden noch bessere Ergebnisse erzielen lassen. In Abbildung 56kann man sich vorstellen, dass eine Veränderung der Entfernung des Ob-jekts eine Veränderung des Winkels bewirkt. Die Strahlen vom Objektund vom Hintergrund fallen ja auf unterschiedliche Empfänger. Einekleine Verschiebung des Objekts in der Nähe des Sensors bewirkt einegrößere Winkeländerung als die eines weiter entfernten Objekts. Daswird durch unterschiedliche Breiten der Empfangsdioden berücksichtigt(eingesetzt z. B. beim OJ).

Einstellung Wenn also der Lichteinfall vom Objekt und vom Hintergrund unterschied-lich ist, dann kann man diese Differenz elektronisch auswerten und benö-tigt keine mechanisch verstellbaren Bauteile mehr. Dieses Verfahren wirdbeim OGH, OJH und OLH verwendet. Der Ablauf bei der Einstellung ge-schieht wie z. B. beim OGT oder OLT durch Tastendruck. Da aber dasFunktionsprinzip anders ist, wird hier der Nachteil der verringerten Be-triebsreserve vermieden.

Fremdlicht Da bei diesen Verfahren, Triangulation, PSD oder Diodenzeile, eine Diffe-renz ausgewertet wird, sind diese Geräte weniger anfällig gegen Störun-gen durch Fremdlicht.

3.4.2.4 Zusammenfassung

Vorteile der Diodenzeile Die neue Generation der Geräte mit Hintergrundausblendung, speziellmit Hilfe einer Diodenzeile, bietet folgende Vorteile:  keine Mechanik  automatische Einstellung  geringere Anfälligkeit gegen Fremdlichtbeeinflussung  praktisch keinen Totbereich

Merkmale des Reflexlichttasters Fasst man allgemein die typischen Punkte beim Taster zusammen, so er-geben sich folgende Merkmale:  direktes Abtasten von Gegenständen, dadurch kein Spiegel oder 2.

Gerät notwendig  Erfassung von transparenten Gegenständen gut möglich  geringe Tastweiten im Vergleich zu den Reichweiten der Lichtschran-

ken  die Tastweite ist abhängig von den Reflexionseigenschaften (Farbe,

Oberfläche) der zu erfassenden Objekte  keine präzisen Schaltpunkte  Störungen durch den Hintergrund (Spiegel, Metall, weiß) möglich

  Ausnahmen sind die Nahbereichstaster oder Taster mit Hintergrund-ausblendung mit allerdings geringeren Tastweiten

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3.4.3 Geräte mit speziellen Eigenschaften

Für spezielle Anwendungen gibt es eine Reihe von Geräten mit speziellenEigenschaften. Sie werden nicht so ausführlich besprochen wie die Stan-dardgeräte.

Vordergrundausblendung Der häufigere Fall ist die Störung des Tasters durch helle Objekte im Hin-tergrund. Deshalb wurden die Geräte mit Hintergrundausblendung in3.4.2.3 ausführlich beschrieben. Wenn es z. B. vorkommt, dass der Hin-tergrund viel besser reflektiert als die Objekte, dann kann es auch prob-lematisch mit der Hintergrundausblendung werden. Dann können Gerätemit Vordergrundausblendung, OCV eingesetzt werden. Sie arbeiten ähn-lich wie eine Reflexlichtschranke, indem der Hintergrund als Reflektor be-nutzt wird. Es wird die Unterbrechung des Lichtweges ausgewertet.

kleine Objekte Wie bei den Lichtschranken ist das eine typische Anwendung für Laserge-räte.

In der Bauform OG und OL gibt es sie als Taster, als OGTL und OLTL. Siehaben allerdings eine Besonderheit: der Strahl ist auf 50 mm fest fokus-siert. Das hat zur Folge, dass das kleinste erkennbare Objekt im Nahbe-reich einen Durchmesser von 2 mm haben muss. Im Fokus, also in 50 mmEntfernung, sinkt dieser Wert auf 0,1 mm. Danach steigt er bis auf 3,5mm in 150 mm Entfernung, der maximalen Tastweite, an (sieheAbbildung 16). Sie lassen sich wie die anderen Taster einstellen, wobeiaber nur die Empfindlichkeit verringert wird. An der Fokussierung ändertsich nichts.

Im Prinzip wäre natürlich auch eine Veränderung des Fokus, ähnlich wiebei einem Fotoapparat denkbar. Dazu wäre aber eine sehr aufwendige,präzise Mechanik notwendig, die mit vertretbarem Aufwand nicht zu re-alisieren ist.

In der Bauform OC gibt es einen Nahbereichstaster, den OCNL. Wie obenbeschrieben ist die Tastweite fest eingestellt. Sie liegt zwischen 20 und 45mm. Auch hier lassen sich Objekte bis hinunter zu 0,1 mm Durchmessererfassen.

gebündelter Lichtstrahl Eine weitere Option stellen die Geräte mit gebündeltem Lichtstrahl dar.Während die Bündelung beim OFB zu einer Erhöhung der Tastweite von200 mm (beim OFT) auf 400 mm führt, so sinkt die Reichweite beim OLBallerdings von 1000 mm auf 800 mm. Dabei verringert sich der maximaleDurchmesser des Lichtflecks von 250 mm (beim OFT) auf 80 mm.

Markierungen Eine häufige Anwendung besteht darin, Objekte auf richtige Position,richtige Maße usw. zu überwachen. Dazu werden Marken auf das Mate-rial aufgebracht oder man verwendet durch den Prozess schon ohnehinvorhandene Marken. Z. B. bei der Papierverarbeitung, etwa beim Druckenwerden Marken auf das Papier gedruckt, um die Bögen richtig schneidenzu können. Bei bedruckten Kunststofffolien oder Textilien bezieht mansich auch auf die Kante zweier mit unterschiedlichen Farben bedruckterFlächen. Die Erfassung kann auch mit bildgebenden Messsystemen erfol-gen. Zu diesem noch recht teuren Verfahren gibt es eine preiswerte Al-ternative, den Kontrasttaster.

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Kontrasttaster Dieses Gerät, der OCK, wertet Signaldifferenzen aus. Es kann verschie-dene Grautöne unterscheiden. Unterschiedliche Farben erscheinen in derRegel in monochromer Umsetzung auch als unterschiedliche Grautöne(siehe 2.2.3). Somit kann der Kontrasttaster auch auf unterschiedlicheFarben ansprechen. Als Ausnahme wird bei diesem Gerät eine LED ver-wendet, die bei 565 nm, also in grüner Farbe, strahlt (siehe 2.1.4). DieTastweite ist fest auf 13,5 mm eingestellt (siehe Abbildung 129).

Farben Wenn der Kontrasttaster nicht zufriedenstellend arbeitet, dann ist eineweitere Möglichkeit der Einsatz des Farbsensors ODC. Es wäre z. B.denkbar, dass eine gelbe und eine hellblaue Fläche für den Kontrasttasterden gleichen Grauwert haben. Besonders bei bunten Objekten ist damitzu rechnen, dass unterschiedliche Farben mit gleichen Grauwerten vor-kommen. Mit dem Farbsensor wird man sie dennoch unterscheiden kön-nen. Das Funktionsprinzip ist in 2.2.3 beschrieben (siehe Abbildung 130).

Taster als Reflexlichtschranke Oben, speziell in 3.4.2.3, wurde darauf hingewiesen, dass gut reflektie-rende Objekte im Hintergrund den Taster stören können. Erst rechtwürde ein Tripelspiegel im Hintergrund den Taster stören, weil es dabeikaum auf den exakten Winkel des Lichteinfalls ankommt. Es ist aberdenkbar, diesen Effekt einfach umzukehren und zu sagen: die Vielfalt derGeräte lässt sich einfach dadurch verringern, dass man das gleiche Geräteinmal als Taster und ein anderes Mal als Reflexlichtschranke verwendet.

Davon ist abzuraten!

Ein Taster muss auf viel weniger Licht reagieren als eine Schranke. Er wirddaher schon bei der Fertigung viel empfindlicher eingestellt. Er ist damitanfälliger gegen Störungen. Er könnte auch nicht gut reflektierende Ob-jekte vom Reflektionsspiegel unterscheiden. Der Einsatz eines Polfilterswäre nicht möglich, weil das die Funktion als Taster beeinträchtigenwürde. Ein Taster sollte also aus Gründen der Betriebssicherheit nicht alsReflexlichtschranke verwendet werden.

Farbsensor als Reflexlichtschranke Der Farbsensor ist eine Ausnahme zum oben gesagten. Er bietet im Ge-gensatz dazu eine Möglichkeit, die für spezielle Anwendungen von Inter-esse ist. Mit einem Farbsensor als Reflexlichtschranke lassen sich z. B. Glä-ser mit unterschiedlichen Farben voneinander unterscheiden.

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3.5 Fiberoptiken

3.5.1 Typische Einsatzfälle

wozu? Zur Erinnerung sollen noch einmal kurz einige Vorteile optischer Sensorenangesprochen werden.- kompakt

Die Bauformen sind im Verhältnis zu ihrer Reich- bzw. Tastweitesehr klein. Das war schon früher zutreffend. Durch den Einsatzvon Mikroprozessoren verstärkt sich der Trend zur kompaktenBauweise. Die Verwendung von Laserdioden ermöglicht enormeReichweiten. Die Geräte werden leistungsfähiger und kleiner.

- sicherSie sind immer weniger anfällig gegen Störungen. Durch denEinsatz spezieller Dichtungen oder durch Vollverguss mit einemspeziellen Gießharz sind sie auch unempfindlich gegen das Ein-dringen von Feuchtigkeit oder gegen Erschütterungen. Wie beimefector 100 zeigt sich der Trend zu unvergossenen Geräten.

- vielseitigFür eine Reihe spezieller Applikationen gibt es eine Reihe von Ge-räten mit besonderen Eigenschaften.

reicht das nicht aus? Es gibt immer noch Anwendungsfälle, die mit den bisher besprochenenTypen schwer zu lösen sind. Einige davon, die im folgenden aufgezähltwerden, lassen sich gut durch den Einsatz von Fiberoptikgeräten lösen.

kleine Objekte Früher konnte man praktisch nur Fiberoptik einsetzen. Das ist natürlichauch jetzt noch möglich. Inzwischen gibt es aber als Alternative in diesemFall die Lasergeräte, so dass die Entscheidung nicht mehr unbedingt fürFiberoptik fällt.

wenig Platz Auch wenn die Geräte immer kompakter werden, so gibt es doch immerwieder Fälle, in denen einfach nicht genug Platz für ein komplettes Gerätda ist. Eine Fiberoptik passt dafür fast immer.

hohe Temperaturen. Jede Elektronik wird von höheren Temperaturen beeinflusst. Die Grenzeder Einsatzmöglichkeit ist spätestens dann erreicht, wenn die Lötmasseweich wird. Glasfibern mit Metallmantel sind auch noch bei höherenTemperaturen einsetzbar (siehe Abbildung 141).

aggressive Medien, Öle, Wasser Auch wenn die Geräte noch so gut abgedichtet oder vergossen sind, sogibt es doch Medien, die das Gehäuse angreifen, die es durchdringen, diedie Dichtung auflösen, die mit der Vergussmasse reagieren usw. Stecker-geräte haben in diesem Fall einen weiteren Schwachpunkt. Mindestens inmanchen Fällen kann man sich dadurch helfen, dass man Fiberoptik mitspezieller Ummantelung verwendet.

Lösung In den beschriebenen Fällen sind efectoren mit angeschlossener Fiberop-tik, die auch als Fiberoptikverstärker bezeichnet werden, (OBF, OGF, OIF,OKF, OUF,) eine gute Lösung.. Hiermit ist man in der Lage, die Licht-strahlen an kleinste Objekte und in sehr heiße oder sehr feuchte Umge-bungen zu leiten. Auch Infrarotsensoren lassen sich mit Fiberoptik ver-wenden.

Beispiel Abbildung 19 zeigt den prinzipiellen Aufbau der Fiberoptik.

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1 Glasfibern2 Schutzschlauch aus Stahlgewebe3 Metallwendel als Hülle4 Silikonummantelung

Abbildung 57: Aufbau Fiberoptik mit Metall-Silikonummantelung

Zusammenfassung Für besondere Einsatzbedingungen wie höhere Temperaturen, Spritzwas-ser oder Montage an schlecht zugänglichen Stellen wurden besondereGeräte entwickelt: die opto-efectoren mit Fiberoptik. Somit besteht dieMöglichkeit, die Lichtstrahlen in heiße oder feuchte Umgebungen zu lei-ten und dort selbst kleinste Objekte abzutasten.

3.5.2 Funktionsweise

Optische Sensoren mit Fiberoptik bestehen also aus zwei Komponenten:  Verstärker  FiberoptikEs wäre auch denkbar, ein Gerät zu bauen, bei dem Verstärker und Fi-beroptik eine Einheit bilden. Damit würde man aber den Vorteil der Flexi-bilität verlieren. Deshalb gibt es hier nur die Kombination aus diesen zweiKomponenten, die auch einzeln bestellt werden müssen. Der Vorteil be-steht darin, dass es eine ganze Palette an Fiberoptiken mit unterschiedli-chen Tastköpfen gibt, aus der man den aussuchen kann, der am bestenzur Aufgabenstellung passt.Mechanisch werden sie durch eine Verschraubung verbunden. Bei Glas-lichtleitern sind teilweise die Faserbündel für Sender und Empfänger un-terschiedlich dick. Die sensorseitigen Endstücke sind mechanisch kodiert,so dass sie nicht falsch eingesetzt werden können.

Verstärker Diese gibt es in verschiedenen Bauformen. Die meisten sind wahlweisefür den Anschluss von Fiberoptiken oder mit Standardoptik (�Linsen�) er-hältlich. Es gibt auch Geräte, die nur mit Fiberoptiken betrieben werdenkönnen.

Die für Lichtleiter entwickelte Bauform OKF arbeitet mit einer Rotlichtdi-ode, die sichtbares Licht aussendet. Dies geschieht aus folgenden Grün-den:1. Die Bauform OKF löste ein vergleichbares Gerät der Firma SUNX ab,

welches ebenfalls mit Rotlicht arbeitete (OEF).2. Rotlicht ist sichtbar - der Lichtleiter ist leichter zu justieren.

rotes Licht Daneben arbeiten auch andere Verstärker mit rotem Licht. Ein weitererVorteil von rotem Licht ist eine geringere Dämpfung im Lichtleiter.

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Fiberoptik Das Material, aus dem sie bestehen, ist entweder Glas oder Kunststoff.Die Eigenschaften der unterschiedlichen Materialien werden weiter untenbeschrieben.

Tastkopf Hier werden in einer kurzen Übersicht die unterschiedlichen Tastköpfeaufgezählt. Die kompletten technischen Daten und Maße sind im Katalogoder in den Datenblättern zu finden.  Gewinde aus Al: M3, M4, M5, M6, M8  zylindrisch aus Al oder Stahl: 3,5+2,5, 3+1, 5, 6+3, 6+1, 7+3 usw. (siehe

Anmerkungen unten)  Umlenkung um 90°: abgewinkelt (L-förmig) oder zylindrisch mit seitlicher

Öffnung  biegbar  mit Linsen: fest oder aufschraubbar  mit Blenden: aufschraubbar,  Sonderformen: Nahbereich, flacher Querschnitt

Anmerkungen Natürlich gibt es nicht zu jedem Verstärker jeden Tastkopf. Das wäre eineviel zu große Vielfalt. Die Tastköpfe mit Gewinde sind für Kunststoff oderGlas. Die glatten zylindrischen gibt es nur bei Glas. Sie bestehen häufigaus einer dickeren, stabilen Hülse, die zur Befestigung verwendet werdenkann und einer dünneren Hülse am Ende, beim Lichtaus- oder Eintritt.Das wurde oben mit dem + Zeichen dargestellt. Ein spezieller Tastkopfaus Stahl für Kunststofffibern hat eine biegbare Spitze mit 95 oder 90mm Länge. Diese ermöglicht es den Sensor einfach neu oder fein zu jus-tieren, nachdem auch der Tastkopf schon fest montiert ist. Allerdings istdie Anzahl der Biegezyklen stark eingeschränkt. Optimal wäre es, dieSpitze nur einmal zu verbiegen.

Halterungen Als weiteres Zubehör gibt es Halterungen für Fiberoptik als Winkel (Nah-bereich) oder Gabel (Gabellichtschranke). Der Vorteil speziell der Gabel-halterung besteht in der Verstellbarkeit. Konventionelle Gabellichtschran-ken, bei denen der komplette Sensor in eine Gabel eingebaut ist, sindzwar preiswerter aber man ist auch mit den Maßen festgelegt.

Kupplung Für Kunststofflichtleiter gibt es auch Kupplungen. Da sie eine Dämpfungbewirken, sollten sie nur eingesetzt werden, wenn es unbedingt erforder-lich ist. Das ist z. B. der Fall bei austauschbaren Werkzeugköpfen einerBearbeitungseinheit. Jeder dieser Köpfe kann mit einer Fiberoptik mitKupplung ausgestattet werden, so dass sie nach dem Austausch einfachwie bei einer Steckverbindung über die Kupplung an den Verstärker an-geschlossen werden können.

Funktionsprinzip Das Prinzip wurde schon in 2.4 erläutert. Nach diesem Prinzip werden dieinfraroten Lichtstrahlen (OGF, OIF OUF), oder roten Lichtstrahlen(OBF,OKF) im Lichtleiter gehalten und weiter transportiert. Der Lichtleiterselbst besteht ausGlasfasern, viele mit sehr geringem Durchmesser,Kunststofffasern, die einen größeren Durchmesser haben.Das umgebende Medium ist Luft. Er ist von einer Ummantelung um-schlossen.

Das Sende- bzw. reflektierte Licht wird im Lichtleiter durch viele Totalre-flexionen weitergeleitet (siehe 2.4). Die Geräte arbeiten dabei als Einweg-lichtschranke oder als Reflexlichttaster, wie in den folgenden Zeichnun-gen zu sehen ist.

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Abbildung 58: Fiberoptik als Einweglichtschranke

Abbildung 59: Fiberoptik als Reflexlichttaster

Abbildung 60: Schema der Fiberoptik als Einweglichtschranke

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Abbildung 61: Schema der Fiberoptik als Taster

3.5.3 Hinweise zum praktischen Einsatz von Lichtleitern

Auswahl In 3.5.1 wurde erläutert, unter welchen besonderen Bedingungen derEinsatz von Fiberoptikgeräten sinnvoll ist. Es eignet sich aber nicht jedeFiberoptik für jeden Anwendungsfall. Die folgende kleine Übersicht sollbei der Auswahl helfen.

hohe Temperaturen Einsatz von Metallwendelschlauch (...290°C).

Feuchtbereich Einsatz von PVC oder Kunststoffen mit ähnlichen Eigenschaften. Auf denEinsatz von Metallwendelschläuchen sollte hier verzichtet werden , da dieFeuchtigkeit eindringen kann und die Schlichte auswäscht.

Feuchtbereich und höhereTemperaturen Einsatz von Metallsilicon. Zum einen sind die Metallsilikonschläuche dicht

es kann keine Feuchtigkeit eindringen und zum anderen kann Metallsili-con bis 150°C eingesetzt werden.

chemische Beanspruchung Je nach Chemikalie Temperatur und Einwirkdauer Einsatz von Metallsili-con-/oder Vitonummantelung.

mechanische Beanspruchung Einen guten Schutz vor mechanischer Beanspruchung bietet der Metall-wendelschlauch und der Metallsiliconschlauch.

Im folgenden sollen weitere Aspekte der Anwendung und Auswahl erläu-tert werden.

Glaslichtleiter Ein kompletter Lichtleiter besteht aus mehreren tausend dünnen Glasfa-sern. Um Faserbruch zu vermeiden, sind sie mit einem Fettfilm (Schlichte)als Gleitmittel umhüllt. Hierdurch bleibt der Lichtleiter insgesamt flexibelund universell einsetzbar. Die Ummantelung besteht bei den Lichtleiternin der Regel aus einem PVC-Schutzschlauch oder aus einem flexiblen Alu-schlauch. Die Kunststoffmäntel sind für den Einsatz in normalen Umge-bungen bis 80°C geeignet. Der Alu-Mantel lässt sich bei Anwendungenin hohen Temperaturbereichen bis zu + 290°C einsetzen. Für spezielleEinsatzfälle, bei denen hohe Temperaturen und nasse Umgebung zusam-menfallen, gibt es Sonderlichtleiter mit Alu-Mantel in einem Silikon-schutzschlauch.

Glas und Kunststoff Die meisten Verstärker sind für den Betrieb mit Lichtleitern aus Glasfasernausgelegt. Glas ist gegen Temperatureinfluss, gegen chemische Substan-zen wie Säuren, Laugen beständiger und eine Glasfaser altert nicht indem Maße und lässt dadurch in ihrer Übertragungsqualität nach, wieeine Kunststofffaser. Ein Nachteil ist jedoch ihr hoher Preis. Sie ist ca. 5mal so teuer wie die Kunststofffaser. Außerdem lassen sich Glasfasernnicht so einfach verarbeiten wie Kunststofffasern. Der Anwender kann sienicht selbst ablängen. Die Standard-Länge beträgt 600 mm.. Sonderlän-gen sind auf Anfrage realisierbar.

Schulungsunterlagen

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Zusammengefasst Lichtleiter aus Silicatglas sind alterungsbeständig. Die Lichtaustrittsflächeist relativ kratzfest. Glaslichtleiter verändern beim Biegen ihr optischesVerhalten, bis unmittelbar vor dem Bruch, nicht. Glaslichtleiter sind che-misch beständig.Glaslichtleiter sind aufwendiger zu produzieren und somit teuer. DieLichtaus/eintrittsflächen müssen poliert werden. Glaslichtleiter könnennicht selbst konfektioniert werden. Daraus resultiert eine Artikelvielfaltdurch Sonderlängen

Da es inzwischen Kunststoff mit verbesserten Eigenschaften gibt, wurdenmit der Einführung der Bauform OBF auch Kunststofflichtleiter ins Pro-gramm aufgenommen.

Bewegung Kunststofflichtleiter bestehen aus weniger Fasern als Glaslichtleiter. Esgibt auch einen Typ mit nur einer Faser. Wenn der Lichtleiter auf einenbeweglichen Teil der Anlage montiert ist, so dass er bei feststehendemVerstärker immer der Bewegung folgen muss, wird er ständig gebogenund wieder gestreckt. Dabei unterliegt der Glaslichtleiter einem höherenVerschleiß. Dieser kommt nicht durch die Biegung zustande (der mini-male Biegeradius muss natürlich eingehalten werden), sondern durch dieReibung der Fasern aneinander. Hier ist ein Kunststofflichtleiter mit weni-gen Fasern einem Glaslichtleiter überlegen.

Fiberoptiken sollten, wenn irgend möglich, fest verlegt werden. Perma-nente Bewegungen sollten vermieden werden. Fiberoptiken sind nichtschleppkettengeeignet, unabhängig davon ob Glas oder Acryl als Leiter-material verwendet wird. Im Heißbereich wirken sich Bewegungen be-sonders schädlich aus, da die sog. Schlichte (Schmiermittel zwischen denFasern) dünnflüssig wird, und die Einzelfasern aneinander reiben. DasMantelglas wird beschädigt und die Fiberoptik �blind�.

Kunststofflichtleiter ablängen Lichtleiter aus Glas sollten überhaupt nicht bearbeitet werden. Lichtleiteraus Kunststoff können selbst abgelängt werden. Dazu muss aber unbe-dingt das Spezialwerkzeug verwendet werden, das als Zubehör erhältlichist. Dabei muss beachtet werden, dass jedes Schneidloch nur einmal be-nutzt werden darf. Selbst eine Scharte, die mit bloßem Auge nicht sicht-bar ist, würde beim nächsten Schnitt eine beträchtliche Dämpfung verur-sachen.

von der Rolle Für Anwender mit hohem Bedarf sind auch Lichtleiter auf Rollen lieferbar.Als weiteres Zubehör gibt es dazu frei konfektionierbare Tastköpfe.

Zusammengefasst Kunststofflichtleiter (Werkstoff: Acryl) sind einfach und schnell zu produ-zieren und somit preiswert. Optische Lichtein-/ austrittsflächen müssennicht unbedingt poliert werden. Es reicht ein sauberer Schnitt. Acryllicht-leiter sind selbstkonfektionierbar. Mit geeignetem Schneidwerkzeug kannder Lichtleiter auf Länge abgeschnitten werden. Auch besteht für denKunden die Möglichkeit selber Fiberoptikköpfe anzubringen. Acryllichtlei-ter sind als Rollenware erhältlich. Es besteht Kupplungsmöglichkeit . (Du-plex; Simplexkupplung).Acryllichtleiter sind nicht für den Heißbereich geeignet. Die Lichtaus/-ein-trittsflächen sind mechanisch und chemisch nicht so belastbar wie beiGlas.

Ganz gleich um welches Fasermaterial es sich handelt, sollten folgendePunkte im Umgang mit Lichtleitern beachtet werden:

Optische Sensoren

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1. Lichtleiter nicht knicken - Bruchgefahr für einzelne Fasern oder ganzeFaserbündel.Minimalen Biegeradius beachten! (siehe Datenblätter)

2. Lichtleiter nicht quetschen oder zu fest klemmen (durch Befestigun-gen).

3. Vorsicht mit hochaggressiven Medien - Sondergeräte.4. Lichtleiter keiner zu hohen Zugbelastung aussetzen. Nie unter Span-

nung montieren.5. Lichtleiter nicht zu sehr verdrehen oder verdrillen.6. Endstücke nicht zu sehr festziehen. Immer die Mutter, nie das End-

stück festziehen (Verdrehungsgefahr)7. Mehrere Lichtleiter an einem Objekt können sich stören - Abstand

halten8. Lichtleiter sind Präzisionsgeräte zur Lichtübertragung. Bitte nicht

selbst weiterbearbeiten (Ausnahme Kunststoff).

Folgende Punkte sollten beim Einsatz von Lichtleitern als Einweglicht-schranke und als Reflexlichttaster beachtet werden: Im Durchlichtbetrieb(ELS) muss der Lichtstrahl zwischen Sender und Empfänger mindestens imgesamten Bereich der Zone A (aktive Zone) unterbrochen werden, damitdas Objekt erkannt wird. Im Reflexbetrieb (RLT) wird das Objekt� klas-sisch" abgetastet. Die maximale Distanz D ist dabei wieder abhängig vonder Oberflächenbeschaffenheit des Gegenstandes, vom Lichtleiterquer-schnitt und vom Winkel zwischen Strahlrichtung und Oberfläche (optimal90 Grad - hohe Reflexion). Der Abstrahlwinkel ist durch die Gesetze dergeometrischen Optik eine feste Größe und kann nicht verändert werden.Das andere Ende des Lichtleiters wird an die dafür vorgesehenen Senso-ren, die hier auch als Verstärker bezeichnet werden, angekoppelt (ge-steckt und geschraubt), um einen einwandfreien Übergang von Senderund Empfänger zum Lichtleiter zu erhalten.

Zusammenfassend kann man feststellen, dass mit opto-efectoren mit an-geschlossenen Lichtleitern auch kleinste Objekte gut und sicher zu erfas-sen sind, dass relativ geringe Tastweiten (abhängig vom Objektdurchmes-ser) erreichbar sind und dass es wichtig ist, beim Einsatz von Lichtleiternals Einweglichtschranken, die beiden Lichtleiter genau zu justieren.

3.6 Hell- und Dunkelschaltung

Ausgangssignal Bevor die Schaltung etwas ausführlicher besprochen wird (siehe 4.1.1und Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden.) soll zuerst aufdas Ausgangssignal allgemein eingegangen werden. Wie kann einsolches Ausgangssignal aussehen und was bedeutet es z. B. bei einerEinweglichtschranke?

Objekt Licht Ausgang Begriffnicht vorhanden nicht unterbrochen nicht geschaltet dunkelschaltendvorhanden unterbrochen geschaltet dunkelschaltendnicht vorhanden nicht unterbrochen geschaltet hellschaltendvorhanden unterbrochen nicht geschaltet hellschaltend

Im optischen Bereich gibt es für die beiden Schaltungsmöglichkeiten ent-sprechende Bezeichnungen: dunkelschaltend und hellschaltend. Das be-deutet bei einer Einweglichtschranke:

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dunkel Wenn der Lichtstrahl zwischen Sender und Empfänger unterbrochenwird, d.h. der Empfänger "sieht dunkel" und der Ausgang durchschaltet- dunkelschaltendes Gerät.

hell Ist der Lichtstrahl jedoch nicht unterbrochen, d.h. der Empfänger "siehthell" und der Ausgang ist durchgeschaltet- hellschaltendes Gerät.

Bei einer Reflexlichtschranke zeigt sich das gleiche Ergebnis wie bei derEinweglichtschranke. Auch hier bedeutet wieder Objekt vorhanden, Emp-fänger dunkel, Ausgang durchgeschaltet = dunkelschaltend und umge-kehrt hellschaltend.

Und wie sieht es beim dritten Prinzip des Reflexlichttasters aus?

Objekt Licht Ausgang Begriffnicht vorhanden unterbrochen nicht geschaltet hellschaltendvorhanden nicht unterbrochen geschaltet hellschaltendnicht vorhanden unterbrochen geschaltet dunkelschaltendvorhanden nicht unterbrochen nicht geschaltet dunkelschaltend

Das Schaltverhalten ist genau umgekehrt, wie bei der Einweg- oder Re-flexlichtschranke, d.h.:

hell Jetzt heißt "Empfänger sieht hell" = Objekt vorhanden, Ausgang ein,hellschaltend.

dunkel Und �Empfänger sieht dunkel" = kein Objekt vorhanden, Ausgang ein,dunkelschaltend.

Zusammenfassend ergibt sich folgendes Schaltverhalten:

Hellschaltung

Bei Einweg- oder Reflexlichtschranken: Wird der Lichtstrahl zwischen Sender und Empfänger bzw. zwischenSende- und Empfangseinheit und Tripelspiegel nicht unterbrochen, so istder Ausgang durchgeschaltet bzw. das Relais angezogen ( = Öffner).

Bei Reflexlichttastern: Wird der Lichtstrahl vom abzutastenden Gegenstand zum Empfänger re-flektiert, so ist der Ausgang durchgeschaltet bzw. das Relais angezogen (= Schließer).

Dunkelschaltung

Bei Einweg- oder Reflexlichtschranken: Wird der Lichtstrahl zwischen Sender und Empfänger unterbrochen, so istder Ausgang durchgeschaltet bzw. das Relais angezogen ( = Schließer).

Bei Reflexlichttastern: Wird der Lichtstrahl nicht zum Empfänger reflektiert, so ist der Ausgangdurchgeschaltet bzw. das Relais angezogen ( = Öffner).

Öffner/Schließer Manchmal ist die Ähnlichkeit zum Öffner- oder Schließerkontakt irrefüh-rend. Man kann nicht einfach gleichsetzen:hellschaltend = Öffnerdunkelschaltend = SchließerIn beiden Fällen, ob man das optischen Verhalten (hell/dunkel) oder daselektrische Verhalten (Öffner/Schließer) betrachtet, muss berücksichtigtwerden, ob es sich um eine Schranke oder einen Taster handelt.

Optische Sensoren

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Zu beachten ist dieses unterschiedliche Schaltverhalten besonders bei derGeräteauswahl, wenn am Ausgang eine Öffner- oder eine Schließerfunk-tion benötigt wird. Nicht alle Bauformen sind im Ausgangssignal pro-grammierbar (z. B. nicht die Bauform OU)!

noch einmal Da, wie die Erfahrung zeigt, in diesem Zusammenhang häufig Missver-ständnisse auftreten, soll der Zusammenhang noch einmal mit anderenWorten erläutert und zusammengefasst werden.

hell/dunkel Für optische Sensoren gibt es zwei Schaltungsmöglichkeiten, dunkelschal-tend und hellschaltend:  Ein dunkelschaltendes Gerät schaltet die Endstufe dann, wenn kein

Licht auf den Empfänger fällt (der Empfänger dunkel bleibt).  Ein hellschaltendes Gerät schaltet die Endstufe dann, wenn Licht auf

den Empfänger fällt (der Empfänger erleuchtet ist).

ELS/RLS Somit gilt für die Lichtschranke (ELS und RLS):  Dunkelschaltende Lichtschranke: Objekt erfasst

Ausgang durchgeschaltet (bzw. Relais angezogen).  Hellschaltende Lichtschranke: kein Objekt erfasst

Ausgang durchgeschaltet (bzw. Relais angezogen).Soll also die Lichtschranke bei Erfassen eines Objekts durchschalten (bzw.das Relais anziehen), muss ein dunkelschaltendes Gerät gewählt werden;soll sie bei Erfassen eines Objekts öffnen (bzw. soll das Relais abfallen),muss ein hellschaltendes Gerät gewählt werden.

RLT Genau umgekehrt ist das Schaltverhalten des Reflexlichttasters:  Dunkelschaltender Reflexlichttaster: kein Objekt erfasst

Ausgang durchgeschaltet (bzw. Relais angezogen).  Hellschaltender Reflexlichttaster: Objekt erfasst

Ausgang durchgeschaltet (bzw. Relais angezogen).Soll also der Reflexlichttaster bei Erfassen eines Objekts durchschalten(bzw. das Relais anziehen), muss ein hellschaltendes Gerät gewählt wer-den; soll sie bei Erfassen eines Objekts öffnen (bzw. soll das Relais abfal-len), muss ein dunkelschaltendes Gerät gewählt werden.

Ein wichtiges Kriterium bei der Auswahl ist die Sicherheit. Bei optischenSensoren muss man also zweimal überlegen: ist die Öffner- oder dieSchließer-Funktion erforderlich und handelt es sich um eine Schrankeoder einen Taster?

Noch verwirrender wird es, wenn man sich auf eine bestimmte Klemmeeines Wechslerkontakts (beim Verstärker, siehe 4.6.2) konzentriert undfragt: wie ist der Zustand (H oder L) falls z. B. Objekt vorhanden, Hell-schaltung, Schranke ?

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3.7 Funktionsreserve

3.7.1 Bedeutung

Die Betriebssicherheit optischer Sensoren hängt in der Regel ab von dergewählten Reichweite, vom Einsatzfall und vom ausgewählten Gerätetyp.Eine gute Hilfe bei der Auswahl eines bestimmten Typs bietet die jewei-lige Funktionsreservekurve.

was ist das? Die Funktionsreserve gibt das Verhältnis an aus: tatsächlich empfangeneStrahlung durch mindestens notwendige Strahlung, die den Schaltzu-stand gerade noch ändert. Die folgenden Beispiele sollen die Bedeutungklar machen.

Funktionsreserve = 1 Das ist der Grenzfall, bei dem der Empfänger gerade soviel Licht erhält,damit die Schaltschwelle minimal überschritten wird. Wie bei fast jedemSensortyp ist dieser Fall ungünstig, weil ein kleiner zusätzlicher Einfluss, z.B. Verschmutzung der Optik, zu Störungen führt.

Funktionsreserve < 1 Hier ist der Fall klar. Da der Empfänger nicht genug Licht erhält, ist dasSchalten unsicher.

Funktionsreserve > 1 Dieser Fall wird in der Praxis angestrebt. Um wie viel der Wert größer als1 sein sollte, hängt von den Einsatzbedingungen ab. Wenn z. B. mit gro-ßem Staubanfall zu rechnen ist, dann sollte die Funktionsreserve möglichgroß sein (siehe Tabelle Abbildung 63).

Bei einem festen Typ und gleichen Bedingungen hängt die Funktionsre-serve nur noch vom Abstand ab. Trägt man die Werte auf, so erhält mandie Funktionsreservekurve. Werte der Funktionsreserve unter 1 brauchengar nicht aufgetragen werden. Das hätte keinen Sinn.

wie ist das zu verstehen? Der Kurvenverlauf in Abbildung 62 zeigt exemplarisch (eine �typische�Kurve) das, in unseren Entwicklungslabors experimentell ermittelte Ver-hältnis von am Empfänger tatsächlich aufgefangener Strahlung und derminimal nötigen ankommenden Strahlung, die noch ein sicheres Schaltengewährleistet. Dieses Verhältnis ist in der Graphik über einen gerätetyp-spezifischen Entfernungsbereich dargestellt. Zu beachten ist die doppeltlogarithmische Darstellung.

Bei dieser Kurve vom OSR sieht man deutlich ein Maximum bei ca. 2mAbstand zum Tripelspiegel. Hier kommt über 60 mal soviel Licht am Emp-fänger an, wie dieser zum sicheren Schalten benötigt. Das ist ein relativhoher Wert. So groß ist also seine Funktionsreserve für diese spezielleReichweite. Aber eine hohe Reserve ist für bestimmte Einsatzfälle not-wendig. Wie aus der Tabelle unten zu ersehen ist, benötigt man für An-wendungen in staubigen Umgebungen, bei Wasserdampf, verschmutztenLinsen und/oder Spiegeln oder auch bei leicht dejustiertem Lichtwegdurchaus solche Reservefaktoren. Es ist also nützlich, die Funktionsreser-vekurve bei der Geräteauswahl für bestimmte Anwendungen zu Rate zuziehen.

Reichweite Die Kurve liefert also mehr Informationen als die Tastweite. Diese wird jafür den optimalen Fall angegeben.

Optische Sensoren

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Abbildung 62: Funktionsreservekurve

Abbildung 63: Richtwerte von Funktionsreservefaktoren

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3.7.2 Einstellung

Bei optischen Sensoren ist es in der Regel möglich, die Empfindlichkeit zuverstellen. Bei manchen Geräten geschieht das über ein Potentiometer,bei den Geräten der neuen Generation über Taster. Der Unterschied die-ser Methoden soll im folgenden erläutert werden.

maximale Empfindlichkeit Im Auslieferungszustand ist die Empfindlichkeit (des Empfängers) auf ihrMaximum eingestellt. Der Grund dafür ist leicht zu verstehen, wenn manüberlegt, was eine Verringerung der Empfindlichkeit für die Kurve inAbbildung 62 bedeutet. Ein Ergebnis dieser Verstellung ist die Verringe-rung der maximalen Reichweite. Das wird manchmal so interpretiert, dassdie Kurve nach links, hin zu geringeren Reichweiten, verschoben wird.Das ist aber nicht der Fall sondern sie verschiebt sich nach unten zu klei-neren Funktionsreserven.Deshalb der Hinweis, optische Sensoren möglichst mit maximaler Emp-findlichkeit zu betreiben

warum einstellen? Wenn, wie gerade erläutert, die maximale Empfindlichkeit optimal ist,warum soll dann überhaupt die Einstellung verändert werden? In der Re-gel wird die Empfindlichkeit nur bei Tastern eingestellt. Bei den anderenTypen sollte das gar nicht erforderlich sein. Im allgemeinen ergibt sich nurbeim Taster die Aufgabenstellung, dass der Vordergrund vom Hinter-grund unterschieden werden muss. Ein Beispiel: es sollen dunkle, schlechtreflektierende Objekte vom Taster erfasst werden, wobei der Hintergrundeine weiße Wand ist.

Potentiometer Mit dem Potentiometer wird die Empfindlichkeit dabei wie folgt einge-stellt.1. Das Potentiometer wird soweit verdreht, bis das Objekt gerade noch

erkannt wird.2. Dann wird weiter gedreht bis gerade die Wand erkannt wird.3. Das Potentiometer wird auf die Mitte zwischen diesen beiden Positi-

onen gestellt.

Das Ergebnis bei dieser Methode ist abhängig vom Augenmaß, Finger-spitzengefühl und der Präzision des Potentiometers. Selbst wenn es ge-länge, exakt die Mittelposition zu treffen, ist zu beachten, dass der Zu-sammenhang zwischen gemessenem Signal und dem Abstand nicht li-near ist. Diese manuelle Methode kann also nicht die beste sein.

OB Der OB bietet die Möglichkeit, die Empfindlichkeit auch manuell aberüber ein �elektronisches Potentiometer� einzustellen. Statt mit einemSchraubendreher das Potentiometer mechanisch zu verstellen, wird dieEmpfindlichkeit über zwei Taster eingestellt. Eine Anzeige des Messsig-nals in Form einer Balkengrafik (LED-Kette) hilft dabei.

was ist die optimale Einstellung? Oben wurde darauf hingewiesen, dass diese Fragestellung nur beim Tas-ter mit störendem Hintergrund auftritt. Es geht dabei darum, möglichstzuverlässig ein Objekt vom Hintergrund zu Unterscheiden. Ein Beispiel solldas verdeutlichen. Dabei soll es um einen OBF als Taster gehen. Das Ge-rät zeigt ja das Messsignal an.

Objekt Bei einer Applikation wird abgelesen, dass das Objekt mit dem Signalwert5 erkannt wird. Mit der Skala brauchen wir uns hier nicht zu beschäfti-

Optische Sensoren

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gen. Wer will, kann sich überlegen, dass das Ergebnis unabhängig vonder verwendeten Skala ist. Wer es lieber konkreter hat, kann sich auchein Signal von 5 V vorstellen.

Hintergrund Der Hintergrund liefert den Messsignalwert 1. Dieses soll also die sichereErkennung des Objekts nicht stören.

�Mitte� Bei manueller Einstellung, sei es des elektronischen Potentiometers wiebeim OB oder des mechanischen bei anderen Geräten, wird die Mittel-stellung gewählt (siehe die Beschreibung oben oder 3.4.2.2). Man setztsozusagen den Schaltpunkt auf 3. Dieser Wert entspricht dem arithmeti-schen Mittel:

( 5)2

21 fffa

õã

Die Differenz, der Abstand zwischen 1 und 3, bzw. zwischen 3 und 5 istjeweils gleich groß, nämlich 2. Es kommt hier aber gar nicht auf die Diffe-renz an sondern auf den Faktor.

Faktor 3 Um vom Hintergrundsignal (1) auf den Schaltpunkt (3) zu kommen, brau-chen wir ein dreimal so starkes Signal. Damit sind wir ziemlich sicher ge-gen Störungen aus dem Hintergrund.

Faktor 1,67 Mit dem Objektsignal (5) liegen wir aber nur noch um den Faktor 1,67über dem Schaltpunkt (3). Eine relativ geringe Verschmutzung würdeschon eine unsichere Erkennung des Objekts bewirken.

Bei dieser Einstellung, der �Mittelstellung�, haben wir mehr Sicherheitbeim Hintergrund als beim Objekt.

1 Objekt2 Schaltpunkt3 Hintergrund

Abbildung 64: Mittelstellung

wie geht es besser? Die Aufgabe besteht also darin, den Punkt zu finden, bei dem der Funkti-onsreservefaktor bezogen auf Objekt und Hintergrund gleich ist. Also:

( 6)g

g

ff

f

f 2

1ã

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oder umgeformt:

( 7) 21fffg ã

fg wurde mit dem Index g versehen, weil dieser Zusammenhang auch alsgeometrisches Mittel bezeichnet wird.

2,24 Das Resultat ist beim Beispiel näherungsweise fg = 2,24. Das ist der opti-male Schaltpunkt, bei dem der Funktionsreservefaktor bezogen auf Ob-jekt und Hintergrund gleich groß ist.

automatisch besser Nun wird auch deutlich, warum die automatische Einstellung überlegenist. Abgesehen von den schon erwähnten Umständen, dass die Anzeigebeim OB eine relativ grobe Auflösung hat, und dass die Einstellung durchDrehung beim Potentiometer auch nicht sehr präzise ist, kommt dazu,dass eine Wurzel berechnet werden muss. Das geschieht per Softwareganz einfach, während Verfahren, eine Wurzel im Kopf zu berechnen,heute nur noch von wenigen beherrscht werden.

dynamische Messung Dazu kommt noch, dass in der Praxis nicht immer der Prozess angehaltenwerden kann, nur um einen Taster einzustellen. Wenn ständig Objektevor dem Taster vorbeilaufen, dann oszilliert das Messsignal ständig zwi-schen dem Wert für das Objekt und dem des Hintergrunds. Wenn dasrasch geschieht, ist eine manuelle Einstellung nicht mehr möglich.

3.8 Schaltfrequenz

Die Schaltfrequenz eines optischen Sensors hängt von einer Reihe von Pa-rametern ab.  Funktionsprinzip (ELS, RLS, RLT)  Maßnahmen zur Erhöhung der Betriebssicherheit (siehe 4.1.2)  BauformDazu kommen noch Charakteristika der Bauteile, bzw. der Schaltung, diezusammen die Schalt- und die Rückschaltverzögerung ergeben. DerenEinfluss auf die Schaltfrequenz ist aber vergleichsweise gering, so dass siehier vernachlässigt werden. Wegen der vielen Einflüsse lassen sich kaumallgemeine Aussagen treffen. Am Beispiel OF wird der Zusammenhang in4.1.2 ausführlicher beschrieben. Die Schaltfrequenz ist im Datenblatt desjeweiligen Sensors angegeben.

wozu? In der Praxis werden durch die Anwendung Anforderungen definiert, sodass es darum geht, den Sensor zu finden, der sie erfüllt. Vorgegebensind z. B. Größe der Objekte und der Lücken dazwischen sowie die Vor-beifahrgeschwindigkeit. Wie aus diesen Werten ein Richtwert für die er-forderliche Schaltfrequenz ermittelt wird, wird im folgenden an Hand vonBeispielen erklärt. Ein typisches Beispiel ist eine Zählaufgabe.

Vorsicht! Es soll jedoch schon vorweg darauf hingewiesen werden, dass es sich da-bei eher um Abschätzungen handelt. Wenn z. B. eine erforderlicheSchaltfrequenz von 100 Hz ermittelt wird, dann sollte nicht ein Sensormit einer maximalen Schaltfrequenz von 100 Hz gewählt werden. Damitwäre man im Grenzbereich, was die Gefahr von Fehlschaltungen erhöht.

Optische Sensoren

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In diesem Beispiel wäre ein Sensor mit 500 Hz Schaltfrequenz vorzuzie-hen.

Betriebssicherheit Grundsätzlich ist zu bedenken : Je schneller ein optisches System ist, umso empfindlicher wird dieses System gegen Fremdlicht. Eine Licht-schranke, die mit Gleichlicht arbeitet, reagiert schneller auf eine Unter-brechung des Lichtstrahls als ein vergleichbares Gerät mit getaktetemLicht. Hier muss erst eine vorgegebene Anzahl von Lichtimpulsen denEmpfänger erreicht haben, bevor der Ausgang schaltet (siehe 4.1.2).

Schaltfrequenz Optische Systeme erfassen den Eintritt eines Objektes in den Lichtwegund den Austritt aus dem Lichtweg praktisch ohne Zeitversetzung. Siebenötigen jedoch eine gewisse Zeitspanne, um die Lichtveränderungdurch Änderung des Schaltzustandes anzuzeigen. Die Einschaltzeit(=Impuls) plus die Ausschaltzeit (=Pause) bestimmen die Schaltfrequenzdes Systems. Bei ihrer Ermittlung wird ein Impuls-Pausen Verhältnis von1:1 zugrunde gelegt.Daher muss geprüft werden, ob das System die Objekte sicher erfassenkann, insbesondere  wenn die Objekte schnell am Gerät vorbeiziehen,  und/oder wenn die Objekte (oder die Lücken zwischen den Objekten)

sehr klein sind.

Hierbei müssen zwei Fälle unterschieden werden :1. Impulsfrequenz ist konstant und Impuls-Pausen Verhältnis ist 1:1.

In diesem Fall gilt : Die angegebene Schaltfrequenz des Gerätes mussmindestens so groß sein wie die Objektfrequenz (bzw. die Pausen).Beispiel : Objekte von 10mm Länge und einem Abstand von ebenfalls10mm von Objekt zu Objekt sollen auf einem Transportband erfasst wer-den. Die Objekte bewegen sich mit einer Geschwindigkeit von1000mm/s.

s/mminkeiteschwindigTransportgimalemax

mmin)ePausenläng.bzw(eObjektlängx2=t s

Die benötigte Schaltfrequenz ist dann:

s

s t1

=f

Daraus ergibt sich :

]s/mm[

]mm[1000

10x2=t s ]Hz[50=

50/11

=fs

Die im Datenblatt angegebene Schaltfrequenz des Gerätes muss mindes-tens 50 Hz betragen.

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2. Impuls-Pausen-Verhältnis ist nicht konstant und Impulse / Pausen wei-chen stark voneinander ab (kleine Objekte und lange Pausen bzw. großeObjekte und kleine Pausen).

In diesem Fall muss ein Gerät gewählt werden, dessen Schaltfrequenz diekleinste Impulslänge bzw. die kleinste Pausenlänge noch sicher erfassenkann.Einem Impuls (einer Pause) muss eine Pause (ein Impuls) von gleicherLänge folgen.Beispiel : Objekte von 10mm Länge und einem Abstand von 5mm vonObjekt zu Objekt sollen auf einem Transportband erfasst werden. DieObjekte bewegen sich mit einer Geschwindigkeit von 1000mm/s.

Hier können die Formeln von oben benutzt werden, eben nur mit dem"ungünstigeren" Wert.

Daraus ergibt sich : t(s)= 2x5[mm] / 1000[mm/s] = 1 / 100[s]f = 1 / 1/100 = 100 Hz

Die im Datenblatt angegebene Schaltfrequenz des Gerätes muss mindes-tens 100 Hz betragen.

Berechnungstools Es kommt bei optischen Sensoren vor, dass solche Berechnungen durch-zuführen sind. Ganz gleich, ob es sich wie hier um eine Frequenz handeltoder einen Abstand oder einen Winkel, sollte diese Berechnung demFachmann keine Probleme bereiten. Wer sich aber das Leben etwasleichter machen oder noch schneller zum Ergebnis kommen will, dersollte bei ifm im Internet nachsehen. Dort findet man diverse Berech-nungstools, in die lediglich die bekannten Parameter eingegeben werdenund die dann den gesuchten Wert ermitteln. Diese Tools werden immerwieder einmal ergänzt, so dass es sich lohnt, öfters nachzusehen.

Optische Sensoren

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4 Optische Sensoren der ifm

4.1 Technik

4.1.1 Realisierung (Schaltung)

Signalbearbeitung und Auswertung Was passiert eigentlich elektrisch in den optischen Sensoren?

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Û³°º<²¹»®Ê±®ª»®ó­¬<®µ»®

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ß¾­½¸·®³«²¹ ÆÓÐ

Abbildung 65: Blockschaltbild Einweglichtschranke

ELS Das Blockschaltbild stellt die Funktionsweise einer Einweglichtschrankedar. Auf der Sendeseite befindet sich die Stromversorgung, der Taktgene-rator und der eigentliche Sender. Heute ist das eine Sendediode. Licht (IRoder rot) wird von der Sendediode getaktet ausgesendet. Durch das Tak-ten erreicht man eine hohe Lebensdauer der LED und trotzdem einegroße Leistungsausbeute bei geringer Stromaufnahme. Die Taktfrequenzbeträgt 5-10 kHz, das Impuls-Pause-Verhältnis ca. 1/100. Das bedeutetgroße Erholungszeiten für die Sendediode.

Verschleiß Ein großer Vorteil von Halbleiterbauelementen, wie z. B. dem Transistor,ist seine verschleißfreie Funktion. LEDs bilden hier eine Ausnahme. Sie un-terliegen einer Alterung. Das bedeutet, die Lebensdauer hängt von derLeuchtdauer ab. Deshalb sind große Erholungszeiten von Vorteil.

Im Empfänger wird dieses Licht durch einen Fototransistor oder eine Fo-todiode aufgefangen, elektrisch verstärkt und durch die Auswertestufe,der Endstufe zugeführt, die dann ein entsprechendes Signal schaltet. DieAuswertestufe ist bei vielen Geräten mit unterschiedlichen Programmier-möglichkeiten ausgestattet.

Störschutz Der Schutz gegen Störungen ist natürlich auch für optische wesentlich,um Fehlschaltungen sicher zu vermeiden. Die ersten beiden Punkte derfolgenden Aufstellung treffen für jeden Sensor zu, der dritte aber ist eineBesonderheit der ELS.

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  Abschirmung der Schaltung gegen elektromagnetische, hochfre-quente Störfelder von außen

  Geschickte Layoutgestaltung um Störungen innerhalb der Schaltungzu vermeiden

  Bei der ELS sorgt ein Hochpassfilter im Empfänger dafür, dass nur diehochfrequenten Signale aus dem Taktgenerator des Senders emp-fangen und verstärkt werden. Eine Beeinflussung durch Fremdlicht-einfälle z. B. 100 Hz Flackern von Leuchtstoffröhren wird so ausge-schlossen.

Früher befand sich in fast allen Bauformen ein präzises 20-Gang-Spindel-potentiometer zur Einstellung der Empfindlichkeit des Empfängers (z. B.zum sicheren Erfassen von teiltransparenten Gegenständen). Heute, beiden neu entwickelten Geräten, erfolgt die Einstellung (Programmierung)durch Tastendruck (siehe 4.3).

RLS Bei der RLS befinden sich alle Funktionseinheiten in einem Gehäuse. Daserleichtert es deutlich gegenüber der Einweglichtschranke, das Gerät ge-gen Störungen zu schützen.

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Abbildung 66: Blockschaltbild Reflexlichtschranke

Störaustastung Die bessere Störausschaltung wird deutlich, wenn man einmal Schritt fürSchritt den Signalablauf nachvollzieht: Stromversorgung, Taktgenerator,Sender sendet getaktetes Licht aus, zwei Möglichkeiten:1) Objekt nicht vorhanden, Licht fällt auf den Empfänger; Vorverstärkerverstärkt im gleichen Takt, (d.h. Torschaltung); Empfangssignal wird aus-gewertet; Ausgang schaltet nicht.2) Objekt vorhanden, am Empfänger kommt kein Lichtsignal an; derEmpfangsverstärker wird im gleichen Takt aktiviert wie der Sender,"nicht vorhandenes Empfangssignal" wird von der programmierten Aus-wertestufe (hell/dunkelschaltend) verarbeitet, das Signal kommt auf dieEndstufe, der Ausgang schaltet ein oder aus, je nach Schließer- oder Öff-nerfunktion.

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Abbildung 67: Blockschaltbild Reflexlichttaster

RLT Vergleicht man das Blockschaltbild des Reflexlichttasters mit dem der Re-flexlichtschranke, so erkennt man keinen Unterschied. Lediglich die Refle-xion des Lichts erfolgt nicht von einem Tripelspiegel, sondern von demGegenstand selbst. In 3.4 wurde schon erwähnt, dass die Schaltung aller-dings ganz anders abgestimmt ist. Der Sensor muss auf Lichtstärken rea-gieren, die nur Prozente von der der RLS betragen. Das ist hier im einfa-chen Blockschaltbild nicht dargestellt.

4.1.2 Betriebssicherheit und Vorausfall

In 3 wurden schon Einflüsse diskutiert, die bei optischen Sensoren zuFunktionsstörungen führen können. Die dort beschriebenen Methoden,das zu verhindern, werden kurz zusammengefasst und ergänzt.

Frequenzfilter Fremdlicht kann entweder ständig auf den Empfänger wirken, z. B. durcheine Glühlampe, oder sie trifft mit bestimmten Frequenzen ein, z. B. mit100 Hz beim Flackern einer Leuchtstofflampe. Durch geeignete Schaltun-gen, z. B. Hochpass, lassen sich diese Störungen vermeiden.

Torschaltung Wenn der Empfänger nur dann aktiv wird, wenn der Sender aktiv ist,können selbst intensive Einflüsse, z. B. durch eine Blitzlampe, verhindertwerden. Bei dauernder Sonneneinstrahlung ist diese Methode wenigerwirksam.

analog Diesen beiden Methoden ist gemeinsam, dass sie analog wirken. In dermodernen Technik liegt es natürlich nahe, sie durch digitale Methoden zuergänzen oder zu ersetzen.

digital Der erste Schritt auf diesem Wege besteht darin die Impulse zu zählen.Wie damit Störungen erkannt werden können, wird weiter unten be-schrieben.

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Zukunft Ein weiterer Schritt wird darin bestehen, dass der Sender bestimmte Im-pulsfolgen ausstrahlt und der Empfänger �lernt�, nur diese Impulsfolgeauszuwerten. Damit kann auch das Problem, das in 3.2.2 einen großenRaum einnahm, nämlich die gegenseitige Beeinflussung mehrerer Licht-schranken, weitgehend gelöst werden.

Doch nun zur technischen Realisierung.

Die Verstärker OV 310/OV 110 besitzen eine digitale Störaustastung zurweiteren Erhöhung der Betriebssicherheit.

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Abbildung 68: Digitale Störaustastung 1

Abbildung 69: Digitale Störaustastung 2

Durch das getaktete Sendelicht treffen am Empfänger die Signale dievom Objekt oder Spiegel reflektiert werden als Impulse auf. In den ande-ren Bauformen werden diese Signale über einem bestimmten Zeitraumintegriert und in der Auswertestufe mit einem Schwellenwert (am Poten-tiometer einstellbar) verglichen und dementsprechend der Ausgang ge-schaltet, also eine analoge Methode. Beim OV wird dieses Verfahren so-zusagen digitalisiert.

6 Impulse Die Auswertestufe wartet solange, bis 6 aufeinanderfolgende Signale desanderen Schaltzustandes ankommen und schaltet in dem Moment dasAusgangssignal um. Beeinflussungen von außen durch optische oder

Optische Sensoren

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elektrische Störimpulse können somit kaum noch den Schaltzustand be-einflussen, solange sie nicht mit genau der gleichen Taktfrequenz min-destens 6 mal nacheinander stören.

Schaltfrequenz Der Gewinn an Betriebssicherheit muss mit einer Reduzierung der Schalt-frequenz bezahlt werden. Die kürzest mögliche Periode ergibt sich als 2 x(Zeit für 6 Impulse), siehe unten, Beispiel OF.

Funktionsanzeige Die so ausgestatteten Geräte (neben den OVs der OP, der heute nichtmehr erhältlich ist) besitzen auch eine besondere Schaltzustandsanzeige.Diese Anzeige kann nicht nur darstellen, ob der Ausgang ein- oder aus-geschaltet ist, sondern sie blinkt auch noch im 2 Hz oder 10 Hz Takt. DieBlinkanzeige ist eine Einstellhilfe für einen sicheren Arbeitsbereich undgleichzeitig eine Warnung vor Störungen oder Verschmutzungen der Op-tik. Diese Art der Vier-Funktionen-Anzeige auf einer LED ist patentiert.

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Abbildung 70: Funktionsanzeige

Die Tabelle fasst die Anzeigen und deren Bedeutung zusammen:  10 Hz blinken bedeutet unsicherer Bereich, aber der Ausgang hat ge-

schaltet,  2 Hz bedeutet Störbereich, der Ausgang hat noch nicht geschaltet.  Dauerlicht der LED Ein oder Aus entspricht dem Schaltabstand des

Ausgangs im sicheren Bereich (je nach hell- oder dunkelschaltenderFunktion).

Die folgende Abbildung zeigt die entsprechenden Blinksignale für dasAnnähern bzw. das Entfernen eines Objektes an einen hellschaltendenTaster. Gut sichtbar wird hier auch der typische Hysteresebereich des Tas-ters.

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Abbildung 71: Impulsdiagramm Funktionsanzeige

4 Zustände Der binäre Standardsensor kann nur zwei Informationen liefern (0,1):  Objekt erkannt  Objekt nicht erkannt

Es liegt nahe, mit den beiden zusätzlichen Informationen ein weiteres Bitzu belegen, das heißt, das Gerät mit einem weiteren Ausgang zur Funkti-onskontrolle zu versehen. Mit zwei Bits können vier Zustände unterschie-den werden (00, 01, 10, 11):  Objekt sicher erkannt  Objekt unsicher erkannt  Objekt unsicher nicht erkannt  Objekt sicher nicht erkannt

Bedeutung Die Zustände können verschiedene Ursachen haben. Typische Störungenvon optischen Sensoren werden durch Verschmutzung der Optik oderdurch Störreflexe aus dem Hintergrund verursacht.�Objekt unsicher nicht erkannt� bedeutet: es kommen nicht alle ausge-sendeten Impulse beim Empfänger an. Das wird z. B. durch Verschmut-zung verursacht.�Objekt unsicher erkannt� bedeutet: es kommen vereinzelte Impulsebeim Empfänger an. Das können Störimpulse aus dem Hintergrund sein.

Vorausfall Wenn der Ausgang zur Funktionskontrolle �unsicherer Bereich� meldet,so kann das auch als Vorausfallmeldung bezeichnet werden. Solche Mel-dungen können dabei helfen, teure Stillstandszeiten oder zu häufigeWartungen zu vermeiden. Z. B. durch einfaches Reinigen der Optik genauzu dem Zeitpunkt, in dem es erforderlich ist, werden Störungen des Ab-laufs vermieden, bevor sie auftreten, ohne den Prozess anzuhalten. Wenndagegen gewartet wird, bis erst eine Fehlschaltung auftritt, dann könnenbeträchtliche Folgekosten entstehen.

Funktionskontrolle Bei der Bauform OA gab es den ersten serienmäßigen Funktionskontroll-ausgang. Sein Signal kann z. B. auf einen SPS Eingang gelegt werden.Damit kann z. B. folgende Maßnahme ausgelöst werden:

Optische Sensoren

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�unsicherer Zustand� - Optik ist verschmutzt � Druckluftdüse vor der Op-tik öffnen � Optik reinigen � �sicherer Bereich� � Druckluftdüse schließenevtl. noch mit der Ergänzung: wenn nach 1 min der sichere Zustand nichterreicht wird � Alarm auslösen. Bei den neueren Geräten ist der Funkti-onskontrollausgang optional wählbar oder ist sogar standardmäßig vor-handen (siehe 4.2.2)

warum nicht immer? Wenn die Erhöhung der Betriebssicherheit so einfach ist, warum werdennicht nur noch Geräte mit Funktionskontrollausgang eingesetzt?Das hat auch wieder verschiedene Gründe.Programmtechnisch muss die Meldung richtig verarbeitet werden. Dabeiist zu beachten, dass der unsichere Zustand immer durchlaufen wirdwenn das Objekt in den Strahlengang eintritt. Darüber hinaus könnte esauch einmal im unsicheren Bereich, wenn es den Strahl nur teilweise un-terbricht, liegen bleiben. Der Programmierer muss sorgfältig überlegen,um nicht zu häufige Reinigungen oder Alarme auszulösen.Der Anschluss eines zusätzlichen Schaltausgangs an die SPS bedeutet zu-sätzlichen Aufwand bei der Verdrahtung. Außerdem wird ein zusätzlicherSPS-Eingang belegt. Bei einem Sensor ist das noch unbedeutend. Es wer-den aber nicht selten Dutzende, wenn nicht Hunderte von den Sensoreneingesetzt. Daher wird das Signal der Funktionskontrolle nur in besonderskritischen Fällen eingesetzt.

AS-Interface Der letzte Punkt verliert aber an Bedeutung wenn eine moderne Technikwie das AS-Interface eingesetzt wird. Wenn das System noch nicht vollbelegt ist, und das ist meistens der Fall, dann kann mit wenig Aufwandein binärer Sensor durch einen sogenannten intelligenten Sensor ersetztwerden, der über dieselbe Leitung zusätzliche Informationen an die Steu-erung liefern kann.

Standard Bei den neuen Typen ist mehr und mehr der Funktionskontrollausgangserienmäßig vorhanden. Es liegt dann in der Entscheidung des Anwen-ders, ob er ihn nutzt.

Testeingang Einige Geräte verfügen auch über einen Testeingang (siehe 4.2.2). Wirdein Signal auf den Testeingang geschaltet, dann wird der Sender abge-schaltet. Der Ausgang muss dann, bei korrekter Funktion, seinen Zustandinvertieren.

aktuelles Beispiel OF Am Beispiel der klassischen Technik ließ sich die Problematik anschaulichbeschreiben. Bei den neueren Gerätegenerationen wird ein ähnlichesPrinzip angewendet. Es unterscheidet sich in einigen Details. Als Beispielwerden die betreffenden Eigenschaften des OF ausführlich beschrieben.

Sender Das System OF arbeitet mit getakteten Infrarot-Lichtimpulsen. Die Takt-frequenz ist 3 kHz, alle 500µs wird ein Impuls von ca. 14µs Länge gesen-det.

Signalempfang Der Signalempfang wird ebenso mit der Taktfrequenz von 3 kHz gesteu-ert (somit ergeben sich 2000 Detektionszyklen pro Sekunde).  Eingangsimpuls 6µs nach dem Ende des Sendeimpulses registriert =

Optokontakt (Lichtpuls empfangen)  während der 6µs kein Eingangsimpuls = kein Optokontakt (kein

Lichtpuls empfangen)

Schulungsunterlagen

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Bewertung der Signale Der OF registriert nicht nur, ob ein Eingangssignal angekommen ist, son-dern er wertet auch dessen Stärke aus und bildet 4 Klassen von Ein-gangssignalen:

Signal Ausgang Bereich 1 Kein Signal Ausgang nicht geschaltet Bereich 2 Unsicheres Signal Ausgang nicht geschaltet Bereich 3 Unsicheres Signal Ausgang geschaltet Bereich 4 Sicheres Signal Ausgang geschaltet

Schaltfrequenz Ein Schaltvorgang findet jedoch erst dann statt, wenn zwei aufeinander-folgende Signale desselben Bereichs registriert worden sind (z.B. 2 Sig-nale im Bereich 4). Diese Maßnahme erhöht die Störsicherheit.Da für den Einschaltvorgang und für den Ausschaltvorgang jeweils 2 De-tektionszyklen benötigt werden, ergibt sich (bei 2000 Detektionszyklenpro Sekunde) eine theoretische Schaltfrequenz von 500 Hz.

Signalverarbeitung und AnzeigeHellschaltung Dunkelschaltung

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Signal inBereich 4

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sicherLED rot AUS

AUSLED gelb AUS

Funktionskontrollausgang (nur bei Steckergeräten)Der Funktionskontrollausgang signalisiert externe und interne Störungen.Externe Störungen sind z.B. Verschmutzung der Linse, Dejustage.Der OF zählt sichere und unsichere Signale und vergleicht deren Zahl. Ererkennt externe Störung und setzt den Funktionskontrollausgang, wenn  innerhalb eines Auswertezyklus (=4sec.) mindestens 256 unsichere

Signale (Bereich 2 und 3) auftreten und  die Anzahl der unsicheren Signale (Bereich 2 und 3) größer ist als die

Zahl der sicheren Signale (Bereich 4).Treten innerhalb des Auswertezyklus weniger als 256 unsichere Signaleauf oder liegt ihre Anzahl unter der Zahl der sicheren Signale , werdendie Zähler zurückgesetzt.Somit werden Störungen sicher erfasst, kurze vorübergehende Störungenaber (z.B. der Übergang von Bedämpfen zu entdämpfen) nicht angezeigt.Der Funktionskontrollausgang wird zurückgesetzt, wenn in einem Aus-wertezyklus mehr sichere Signale oder weniger als 256 unsichere Signaleauftreten; d.h. er wird zurückgesetzt frühestens 4 Sekunde nachdem einObjekt wieder sicher erkannt wurde.

Neben Störungen, die auf Grund des optischen Funktionsprinzips auftre-ten können, zeigt der Funktionskontrollausgang auch Störungen in derElektrik, z. B. Kurzschluss, oder (der eigenen) Elektronik an. Um das

Optische Sensoren

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Thema Funktionskontrollausgang nicht auseinander zu reißen, werdendiese Funktionen hier kurz beschrieben. Dabei müssen einige Punkte aus4.2 vorweg genommen werden.

Interne Störung (Kurzschluss im Schaltausgang)  Der Funktionskontrollausgang wird gesetzt; zugleich signalisieren die

LEDs: die rote und die gelbe LED blinken abwechselnd mit ca. 3 Hz(bei Kabelgeräten blinkt die gelbe LED mit dieser Frequenz).

  Der Schaltausgang wird geöffnet;  Das normale Auswerteprogramm wird unterbrochen;  Der Schaltausgang wird zyklisch abgefragt (1 mal pro Sekunde).Ist der Kurzschluss beseitigt, geht der OF nach ca. 1 Sek. wieder ins nor-male Auswerteprogramm zurück und setzt den Funktionskontrollausgangzurück.

Interne Störung (Auswerteelektronik) Bei Störung in der internen Auswerteelektronik wird der Funktionskon-trollausgang gesetzt; zusätzlich signalisieren die LEDs:die rote und die gelbe LED blinken abwechselnd mit ca. 1 Hz (bei Kabel-geräten blinkt die gelbe LED mit dieser Frequenz).Nach Beseitigung der Störung wird der Funktionskontrollausgang zu-rückgesetzt und der OF startet mit einem neuen Auswertezyklus (d.h.:normale Funktion ca. 4 Sek. nach Beseitigung der Störung).

4.2 Strom- und Spannungsbereiche

Die opto-efectoren sind als Gleichstrom-, Wechselstrom - oder soge-nannte Allstromgeräte erhältlich. Sie lassen sich jeweils in großen Span-nungsbereichen einsetzen, um jeden Kundenwunsch erfüllen zu können.Auf dem Bild unten sieht man die einzelnen Stromtypenzweige für diejeweils zur Verfügung stehende Versorgungsspannung (-strom).

zur Zeit noch in Arbeit

Abbildung 72: Gerätefamilie

Schulungsunterlagen

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4.2.1 Reststrom, Mindestlaststrom und Spannungsfall

Anschlusstechnik Eine ausführliche Beschreibung ist in den betreffendenSchulungsunterlagen zu finden. Hier wird nur kurz auf einen speziell füroptische Sensoren wichtigen Punkt eingegangen.

UC Es ist zu beachten, dass bei den 2-Leiter Allstromgeräten ständig ein Rest-strom von bis zu 6 mA (OI) zur Stromversorgung fließt, um das Gerät be-triebsbereit zu halten. Sollen diese Geräte an eine SPS angeschlossenwerden, kann es zu Problemen kommen, wenn die Eingänge der SPShochohmig sind und diesen Strom begrenzen. Außerdem muss man beiEinsatz dieser 2-Leiter Geräte daran denken, dass es bei durchgeschalte-tem Ausgang zu einem Spannungsabfall von bis zu 10,5 V (schon bei 24V DC und großer Last möglich, OS) am Gerät kommt. Falls eine be-stimmte Last dann mit der Restspannung nicht mehr richtig angespro-chen wird, so kann man durch Anschaltung eines Widerstandes oder ei-ner RC-Kombination der Spannungsabfall verringern bzw. das VerhältnisReststrom zu Laststrom verbessern.

AC Ähnliches gilt auch für die 2-Leiter Wechselstromgeräte, allerdings mitnicht ganz so extremen Werten (z. B. 6 mA, 7,5 V). Bei Schwierigkeitenaus diesen Gründen sollte immer die Möglichkeit des Einsatzes von 3-Lei-ter DC- oder AC-Geräten mit problemloser eigener Signalleitung geprüftwerden.

Abbildung 73: Zusatzbeschaltung

4.2.2 Anschluss

Die Beschaltung der Ausgänge entspricht, was die Schaltfunktion angeht,der der anderen Sensorarten und braucht hier nicht wiederholt zu wer-den.

Stromaufnahme Zur Erinnerung sei noch einmal darauf hingewiesen, dass die Stromauf-nahme, also der Strom, den der Sensor selbst für seine Funktion benötigt,höher ist als z. B. bei induktiven oder kapazitiven Näherungsschaltern.Das hängt damit zusammen, dass ja das Licht erzeugt werden muss. Be-sonders beim Einsatz optischer Sensoren muss darauf geachtet werden,dass das Netzgerät richtig dimensioniert ist, um eine sichere Versorgungzu gewährleisten.

Optische Sensoren

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Außerdem soll daran erinnert werden, dass die Hell-, bzw. Dunkelschal-tung das optische Verhalten beschreibt und nicht mit der elektrischenFunktion Öffner-, bzw. Schließerkontakt gleichgesetzt werden kann(siehe 3.6). In Abbildung 78 und Abbildung 79 wurde, um die Abbildungnicht zu überladen, zwar das Öffner- bzw. Schließersymbol verwendet.Die Schaltfunktion hängt aber davon ab, ob es sich um eine Licht-schranke oder ein Lichttaster handelt.

Darüber hinaus gibt es bei optischen Sensoren Besonderheiten, die imfolgenden beschrieben werden.

Der Anschluss der ELS wird am ausführlichsten behandelt. Die gleichenSchemata treffen aber auch für die RLS und den RLT zu.

ELS Bei der ELS sind zwei Geräte anzuschließen (siehe 3.2).

Sender In der Regel sind die Sender 2-Leiter Geräte, weil sie lediglich mit Stromversorgt werden müssen. Bei praktisch allen Kabel-, bzw. Steckergerätenkann man sich an Abbildung 74 orientieren.

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Abbildung 74: Anschlussschema ELS Sender

Bei den Geräten mit Klemmenraum ist die Belegung im Datenblatt zufinden. Als Beispiel ist hier der OA gezeigt.

Abbildung 75: Anschlussschema OAS

Test Es gibt Geräte mit einer einfachen Testfunktion, OC und OA. Wird Span-nung an einen Testeingang gelegt, dann wird der Sender für diese Zeitabgeschaltet. Bei einem intakten System, muss sich das Ausgangssignaldaraufhin invertieren. Bei einer ELS befindet sich der Testeingang natür-lich beim Sender. Diese Geräte haben dann (abweichend zu Abbildung74) 3 Anschlüsse (weißes Kabel, Kennzeichnung WH, bzw. Pin 4 beimOC; Klemme 5 beim OA).

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Abbildung 76: Testeingang beim OAS

Vorsicht! Bei Verwendung einer falschen Kabeldose kann der Testeingang das Ge-rät außer Funktion setzen. Falls sich eine Brücke zwischen den entspre-chenden Pins befindet, führt das dazu dass ständig Spannung am Test-eingang liegt. Der Sender ist dann ständig abgeschaltet.

Empfänger Die Typenvielfalt ist so groß, dass hier nicht alle Varianten aufgelistet wer-den können.

Halbleiterausgang Als Beispiel für Geräte mit Halbleiterausgang werden die Varianten beimOGE vorgestellt.

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Abbildung 77: Anschlussschema ELS Empfänger UC

Bei UC-Geräten ist auch der Empfänger ein 2-Leiter Gerät. Beim An-schluss der Last ist 4.2.1 zu beachten.

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Abbildung 78: Anschlussschema ELS Empfänger DC pnp

Optische Sensoren

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Abbildung 79: Anschlussschema ELS Empfänger DC npn

Funktionskontrollausgang Die DC Geräte sind, wie viele andere auch, 3-Leiter Geräte. In Abbildung78 und Abbildung 79 ist eine Besonderheit zu erkennen. Einige Gerätehaben zusätzlich zum eigentlichen Schaltausgang einen Funktionskon-trollausgang (engl. function check, abgekürzt fc). Diese Funktion steht beipraktisch allen Geräten der neueren Generation zur Verfügung. Bei man-chen Typen sind es nur die Steckergeräte. Es gibt auch Typen in den zweiVarianten, mit und ohne Funktionskontrollausgang. Auch wenn das Ge-rät standardmäßig mit einem Funktionskontrollausgang versehen ist, liegtes natürlich in der Entscheidung des Anwenders, ob er ihn nutzt. Sieheauch 4.1.2. Hier werden an einem Beispiel die Bedingungen beschrieben,die ein Schalten des Funktionskontrollausgangs bewirken.

Der Funktionskontrollausgang dient zur Überwachung des Geräts durcheine Steuerung. Er liefert maximal 10 mA. Bei der Programmierung ist zubeachten, dass bei vielen Prozessen das Objekt einen unsicheren Bereichdurchfährt, bevor es sicher erkannt oder sicher nicht erkannt wird. In derMontageanleitung des OG wird die Reaktion des Ausgangs beschrieben:

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OA Beim OA oszilliert der Funktionskontrollausgang im Falle einer Störungmit 5 Hz. Abbildung 80 zeigt die Klemmenbelegung beim OAE mit Halb-leiterausgängen.

Schulungsunterlagen

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Abbildung 80: Anschlussschema OAE

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Abbildung 81: fc-Signal OAE

Der Ausgang liefert ein oszillierendes Signal, wenn z. B. die Optik oderder Spiegel verschmutzt ist. Ein Signal wie in Abbildung 81 wird geliefert,wenn z. B. eine Dampfwolke zwischen Objekt und Empfänger vorbei-zieht. Der Schaltausgang ändert dabei seinen Zustand nicht.

Relais Beim OL gibt es auch die Option Relaisausgang.

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Abbildung 82: Relaisausgang

Beim OA mit Relaisausgang ist auch die 5. Klemme belegt. Es handeltsich um ein Relais mit Wechslerkontakten.

RLS Die allgemeinen Eigenschaften sind in 3.3 beschrieben. Bei vielen Gerätenunterscheidet sich das Anschlussschema nicht von dem des Empfängersder ELS.

Die Allstromgeräte (UC) sind 2-Leiter (siehe Abbildung 77). Hier ist insbe-sondere zu beachten, dass der Reststrom höhere Werte annehmen kann,z. B. beim OS bis 8 mA (siehe 4.2.1).

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Die DC-Geräte sind wie zumeist 3-Leiter Hier kann als Beispiel Abbildung78, bzw. Abbildung 79 herangezogen werden. Die Informationen zumFunktionskontrollausgang der ELS von oben treffen auch für die RLS zu.

Das Anschlussschema für den Relaisausgang beim OL (Abbildung 82)stimmt ebenfalls mit dem für die RLS überein.

RLT Vom Schaltausgang her unterscheiden sich die RLT praktisch nicht vonden RLS. Zu beachten ist die unterschiedliche Bedeutung von Hell- undDunkelschaltung.

Fiberoptikverstärker Bei diesen Geräten wird die Schaltfunktion über die Anschlüsse pro-grammiert, wie z. B. in Abbildung 79.

4.3 Bedienung

In diesem Kapitel soll eine kurze Übersicht zu den vielfältigen Funktionengegeben werden, die dem Anwender zur Verfügung stehen. Häufig gehtes um die Einstellung der Empfindlichkeit. Da es aber noch weitere Funk-tionen, z. B. Zeit, gibt, wurde der Begriff Bedienung gewählt.

4.3.1 Einstellung der Reichweite

Es soll noch einmal daran erinnert werden, dass die Empfindlichkeit beider ELS und der RLS praktisch nie verstellt werden soll. Als Ausnahmekann man an die Erfassung teiltransparenter Objekte denken.

automatisch Da die manuelle Einstellung nicht optimal ist (siehe 3.7.2) und diese Op-tion zukünftig bei Neuentwicklungen kaum noch verfügbar ist, wird hiernicht mehr darauf eingegangen. Allgemeine, nicht auf ein spezielles Ge-rät bezogene, Beschreibungen sind in 3.7.2 zu finden. Es wird an Bei-spielen die automatische Einstellung der Empfindlichkeit beschrieben. Beianderen Geräten ist der Ablauf ähnlich. Häufig werden solche Verfahrenauch als Teachen oder Teach In bezeichnet.

wo findet man die Anleitungen? Die Beschreibungen, von denen im folgenden Auszüge gezeigt werden,liegen als Montageanleitungen den jeweiligen Geräten bei. Sie sind auchim Internet verfügbar.

exemplarisch Da die Anleitungen jedem zugänglich sind, wird hier nur als Beispiel dieEinstellung beim OG ausführlicher beschrieben.

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4.3.1.1 OG als ELS

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Abbildung 83: OGS, OGE

Da die Einstellung bei der ELS selten vorkommt, wird sie hier nicht ge-zeigt. Der Ablauf ist praktisch der gleiche wie bei der RLS, die im folgen-den beschrieben wird. Ein Unterschied besteht darin, dass bei der ELS dieEinstellung am Empfänger vorgenommen wird.

4.3.1.2 OG als RLS

teiltransparent Auch wenn es in der Praxis selten vorkommt, wird der Vollständigkeithalber die Einstellung der RLS auf ein teiltransparentes Objekt gezeigt.

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Abbildung 84: OGP

Bei statischen Objekten, deren Position beeinflusst werden kann, gehtman folgendermaßen vor:

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1

Plazieren Sie das Objekt im Erfassungbereich der Optik.*

4 Entfernen Sie das Objekt aus dem Erfassungsbereich der Optik.*

Drücken Sie, bis die rote LEDblinkt.

LEDs gelb und grün blinken im Wechsel

(= Gerät ist im Programmiermodus).

3Drücken Sie 1 mal.

LEDs gelb und grünverlöschen für ca. 1s,blinken dann wieder

im Wechsel.

5Drücken Sie 1 mal.

LEDs gelb und grünverlöschen für ca. 1s,

danach leuchtet diegrüne LED

(= Gerät ist imBetriebsmodus).

Abbildung 85: OGP statische Objekte

* Der * bei Abbildung 85 bedeutet, dass die Reihenfolge keine Rolle spielt.Man kann auch in umgekehrter Reihenfolge vorgehen.

1

2

Lassen Sie die Objekte durch den Erfassungbereich der Optik laufen.

Drücken Sie, bis die rote LEDblinkt.

LEDs gelb und grün blinken im Wechsel

(= Gerät ist im Programmiermodus).

3Drücken Sie 1 mal.

LEDs gelb und grünverlöschen für ca. 1sblinken dann wieder

im Wechsel.

4Drücken Sie 1 mal.

LEDs gelb und grünverlöschen für ca. 1s,

danach leuchtet diegrüne LED

(= Gerät ist imBetriebsmodus).

Abbildung 86: OGP dynamische Objekte

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Wie erwähnt, ist einer der Vorteile der automatischen Einstellung, dieMöglichkeit, die Einstellung auch bei bewegten Objekten vorzunehmen(Abbildung 86).

4.3.1.3 OG als RLT

Hintergrund Beim Taster kann es vorkommen, dass der Hintergrund stört. In der Praxisist es sicherer, ein Gerät mit Hintergrundausblendung zu verwenden. InFällen, wo das nicht möglich ist, z. B. wegen der Reichweite, die bei Hin-tergrundausblendung geringer ist, kann jedoch die Einstellung der Tast-weite erforderlich sein.

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Abbildung 87: OGT

In den folgenden Anleitungen erkennt man die Ähnlichkeiten zum oben(4.3.1.2) beschriebenen Gerät. Man kann davon ausgehen, dass man,wenn man die Einstellung eines Typs beherrscht, die anderen Typen ge-nauso gut einstellen kann.

statisch Es wird wieder zwischen statischen und dynamischen Objekten unter-schieden. Als erstes wird wieder der statische Fall beschrieben.

Optische Sensoren

101

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Abbildung 88: OGT statische Objekte

Reihenfolge Hier kann auch wieder in umgekehrter Reihenfolge vorgegangen werden.

dynamisch Es folgt der Ablauf bei der Einstellung auf dynamische Objekte.

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Abbildung 89: OGT dynamische Objekte

4.3.1.4 OGH als RLT mit Hintergrundausblendung

Der OG als Taster mit Hintergrundausblendung, OGH, unterscheidet sichvom einfachen Taster, OGT, dadurch, dass als Empfangselement ein PSDverwendet wird. Das ist eine elegante Realisierung der Hintergrundaus-blendung (siehe 3.4.2.3). Die Einstellung unterscheidet sich aber praktischnicht von der des OGT. Darin liegt ein Vorteil dieser Technik. Der Anwen-der braucht gar nicht spezielle Bedienfunktionen zu lernen, er kann soverfahren, wie er es schon gewohnt ist.

4.3.1.5 Anzeigen und weitere Einstellungen

Anzeigen Bei den Anschlussschemata (4.2.2) wurde auch der Funktionskontrollaus-gang beschrieben. Auch wenn er nicht genutzt wird oder nicht vorhan-den ist, wird am Gerät selbst der unsichere Zustand angezeigt (rote LED).Es wird mehr angezeigt als nur der Schaltzustand. Die folgende Tabellezeigt eine Übersicht:

Optische Sensoren

103

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Anzeige beim OF Beim OF gibt es als Besonderheit Unterschiede zwischen Kabel- und Stek-kergeräten. Die LEDs zur Anzeige liefern aber jeweils ähnliche Funktionenwie beim OG.

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Abbildung 90: OF

Die folgende Tabelle zeigt die Funktionen:

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keine Schaltschwelle In allen Fällen, statische oder dynamische Objekte, RLS oder RLT, kann esvorkommen, dass die automatische Einstellung der Schaltschwelle nichtmöglich ist. Im Beispiel RLS könnte das z. B. daran liegen, dass die Ob-jekte so weit transparent sind, dass eine Erfassung mit einer RLS nichtmöglich ist. In diesem Fall blinkt die rote LED nach Schritt 4, bzw. 5. DieSchaltschwelle bleibt dann unverändert. Das ist kein spezieller Nachteilder automatischen Einstellung. In einem solchen Fall wäre eine manuelleEinstellung auch nicht sinnvoll.

Spieltrieb Normalerweise soll ja die Empfindlichkeit gar nicht verstellt werden. Auchwenn, wie im oben beschriebenen Spezialfall, eine Schaltschwelle einge-stellt wurde, ist es möglich, dass durch unsachgemäße Bedienung, �Her-umspielen� mit der Einstelltaste ohne Kenntnis der Funktion, die Schalt-schwelle so verändert wird, dass keine sichere Funktion gewährleistet ist.Dagegen gibt es ein Mittel.

Schulungsunterlagen

104

Verriegelung Das Gerät lässt sich verriegeln, so dass keine Veränderung der Schalt-schwelle möglich ist.

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Abbildung 91: Verriegelung

maximale Empfindlichkeit Wie erwähnt, ist das, speziell im Hinblick auf die Funktionsreserve, dieoptimale Einstellung. Wenn ein Gerät trotzdem einmal eingestellt wurde,dann möchte man auch die Möglichkeit haben, es wieder in seinenGrundzustand zu versetzen.

Grundzustand Man kann den Vorgang auch als Reset oder Einstellung der Vorgabe-werte (engl. default) bezeichnen. Der Ablauf ist der folgende:  Gehen Sie in den Programmiermodus (Schritt 1 in Abbildung 85)  richten Sie das Gerät so aus, dass kein Licht reflektiert wird  Drücken Sie 2 mal die Einstelltaste (Schritt 2 und 3 in Abbildung 85)

Laser Bei den Lasergeräten verläuft die Einstellung im Prinzip wie bei den Gerä-ten mit einer LED als Lichtsender. Zur Erleichterung der Montage wird beider Einstellung die Intensität des Sendelichts erhöht, damit der Lichtfleckbesser sichtbar ist. Diese Funktion, die auch als Justierhilfe bezeichnetwird, ist im Programm des Prozessors vorgegeben. Der Anwenderbraucht auch hier keine neue Bedienfunktion zu lernen.

Justierhilfe Ein kleiner Unterschied ergibt sich wegen der Justierhilfe bei der ELS alsLasergerät. Hier kann nicht nur der Empfänger, wie in 4.3.1.2 beschrie-ben, eingestellt werden. Um die Justierhilfe zu aktivieren, ist der Senderauch mit einer Taste und LEDs zur Anzeige ausgestattet.

Einstelltaste

Empfänge® Sender

LEDs rot, gelb, grünEinstelltaste

LEDs rot, gelb, grün

Abbildung 92: OGSL

Die einfache Bedienung wird in der folgenden Abbildung 93 beschrieben:

Optische Sensoren

105

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Abbildung 93: OGSL Justierhilfe

OA Das erste Gerät mit standardmäßigem Funktionskontrollausgang war derOA. Wie in 4.1.2 beschrieben, kann damit eine Überwachung auf Vor-ausfall realisiert werden. Die Anzeige der Funktionskontrolle, eine roteLED kann auch bei der Montage verwendet werden.

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Abbildung 94: OAR

Am Beispiel OAR, Abbildung 94, sind die drei LEDs des Geräts angege-ben. Neben den üblichen LEDs, grün für Betriebsbereitschaft und gelb zurAnzeige des Schaltzustands, können die roten LEDs auch bei der Mon-tage verwendet werden.  Die roten LEDs leuchten bei genauer Ausrichtung  Die roten LEDs blinken bei ungenauer Ausrichtung

OJ Bei der Bauform OJ ist die Ausgangsfunktion programmierbar.

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Abbildung 95: Ausgangsfunktion beim OJ

Schulungsunterlagen

106

4.3.2 Zeitfunktionen

wozu Zeitfunktion? Da jedes beliebige Zeitverhalten in einer elektronischen Steuerung reali-siert werden kann und da die Sensoren in der Regel an eine solche Steue-rung angeschlossen sind, kann man sich schon diese Frage stellen. DieAntwort soll kurz mit ein paar Stichworten zusammengefasst werden.  DezentralisierungEin aktueller Trend in der Automatisierungstechnik geht zur Dezentralisie-rung. Damit sollen u. a. Stillstandszeiten reduziert werden. Wenn derganze Prozess von einer Steuerung zentral gesteuert wird, dann kommter bei deren Ausfall komplett zum Stillstand. Wenn die Intelligenz verteiltist, dann wird es möglich, bei entsprechender Pufferung, dass Teilschritteweiter bearbeitet werden, auch wenn ein Arbeitsgang unterbrochen ist.  EntlastungDieser allgemeine Trend betrifft in erster Linie die Steuerung, nicht denSensor. Auch, oder vielleicht gerade, wenn es sich um eine kleine, dezen-trale Steuerung handelt, ist es günstig, wenn diese von solchen Stan-dardaufgaben wie Zeitfunktionen entlastet wird. Wenn der Sensor dieAufgabe übernimmt, dann wird das Programm und damit auch die Reak-tionszeit kürzer.Das kommt auch darin zum Ausdruck, dass man in den Zeitfunktionender Sensoren die Standard-Zeitfunktionen, die bei der Programmierungeiner SPS verwendet werden, wiederfindet. Die Impulsverzögerung be-wirkt eine Art von Entprellung, während die Impulsverlängerung die si-chere Verarbeitung der Impulse auch durch eine langsame Steuerunggewährleistet. Speziell die Verlängerung lässt sich in diesem Fall nur amSensor einstellen. Damit wird es auch verständlich, weshalb die Zeitdia-gramme bei unterschiedlichen Geräten praktisch gleich aussehen. Es sindeben immer wieder die gleichen Funktionen, die benötigt werden. Dieunterschiedliche Art der Einstellung kommt von den unterschiedlichenEntwicklungsständen der Hardware.  EinstellungEs kommt immer wieder vor, dass es am einfachsten und effektivsten ist,einen Parameter, hier die Zeit, zu verändern, wenn man direkt, vor Ort,den Prozess beobachten kann. Das heißt, es ist z. B. am einfachsten beimSensor und nicht irgendwo an einem Monitor.

OS Bei der Bauform OS gibt es die Programmiermöglichkeit, das Ausgangs-signal mit einer Ansprech- oder Rücksetzverzögerungszeit zu versehenoder das Ausgangssignal als Impuls von jeweils gleicher Dauer zu erhal-ten. Die entsprechenden Zeiten sind an einem 2. Potentiometer am Gerätstufenlos von 0,01 - 5 Sekunden einstellbar (siehe Abbildung 96) .

Optische Sensoren

107

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Abbildung 96: Zeitfunktion beim OS

Bei der Verstärkerbauform OV 310 gibt es ebenfalls die Möglichkeit derAnsprech - und/oder Rückfallverzögerungszeiten und des Impulsbetrie-bes. Die Ansprech- und Rückfallverzögerungszeiten sind hier getrennt an2 Potentiometern zwischen 0,03 und 10 Sekunden einstellbar und gleich-zeitig oder getrennt anwählbar. Bei Impulsbetrieb wird die Impulslängeam Potentiometer für die Ansprechverzögerungszeit eingestellt (sieheAbbildung 97, Abbildung 127 und 4.6.2).

Schulungsunterlagen

108

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Abbildung 97: Zeit- und Ausgangsfunktionen beim OV 310

alt und neu Man erkennt schon an der Größe des OS und des OV 310, dass hier nochanaloge Schaltungen verwendet werden. Die neueren Geräte sind dage-gen mit einem Prozessor ausgestattet, mit dem solche Funktionen auchbei beträchtlich kleineren Bauformen realisiert werden können, z. B. OB.

OB Als nächstes Gerät wird der OB behandelt, da hier die Anzeige besondersinteressant ist. Das Thema OB hätte auch zu 4.3.1.5 gepasst, wurde dortaber weggelassen damit das Kapitel nicht zu lang wird. Im Display des OBwird u. a. die Intensität des Signals angezeigt. Auf die Anzeige wird auchhier nicht weiter eingegangen. Ein Beispiel dafür, wie die Anzeige aus-gewertet werden kann, ist in 3.7.2 zu finden.

Die Praxis hat gezeigt, dass es zu wenige Fälle waren, bei denen dieseAnzeige unbedingt erforderlich war. Deshalb gibt es sie nur beim OB.Wenn es doch einmal wieder ein Gerät mit Anzeige des Messwerts gebensollte, dann wird es eher mit einem LCD-Display versehen sein. Die Auflö-sung bei einer LED-Kette ist zu grob. Sie ist ja durch die Anzahl der LEDsvorgegeben. Auch die Option der manuellen Einstellung, �elektronischesPotentiometer�, wurde nur selten genutzt. Bei den neueren Geräten be-steht nur die Möglichkeit der automatischen Einstellung. Ein Displaywürde auch schlecht zum aktuellen Trend, die Geräte immer kompakterund kleiner zu bauen, passen.

Optische Sensoren

109

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Abbildung 98: Display beim OB

In diesem Kapitel soll es aber speziell um die Zeitfunktion gehen. Für dieEinstellung der Empfindlichkeit muss auf die Montageanleitung verwiesenwerden.

Es ist gar nicht so einfach, bei einem relativ kleinen Gerät, die Anzeigeund die Bedientasten so unterzubringen, dass die Zeit in einem Intervallfrei programmiert werden kann. U. a. zu diesem Zweck wurden zweiLEDs in die Fenster der LED-Kette gesetzt. Es gibt also eigentlich zwei Ket-ten. Die Verzögerung kann nach folgender Beschreibung eingestellt wer-den: ° ¹ ¹

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Abbildung 99: Zeitfunktion beim OB

Schulungsunterlagen

110

OA Diese Bauform gehört noch zur Generation der Geräte, bei der die Schal-tung analog aufgebaut ist. Man erkennt das schon an den Abmessungen,bzw. am Volumen des Geräts. Optional ist der OA mit einer Zeitfunktionausgestattet. Die Einstellung geschieht auf der Rückseite des Geräts:

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Abbildung 100: Einstellung beim OA

Die Art der Zeitfunktion ist aus den folgenden Diagrammen abzulesen:

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Optische Sensoren

111

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Abbildung 102: OA Stellung b

OAH Auch diese Bauform ist optional mit einer Zeitfunktion erhältlich. Sie ist inihrer Funktion vergleichbar mit der des OA. Die Zeitdiagramme,Abbildung 101 und Abbildung 102, können übernommen werden. DieEinstellung unterscheidet sich etwas.:

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Abbildung 103: Einstellung beim OAH

Die Bedeutung der Schalterstellung ist in der folgenden Tabelle zu sehen:

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Schulungsunterlagen

112

4.4 Mechanische Eigenschaften

4.4.1 Bauformen und Reichweiten

Die Reichweite ist eigentlich keine mechanische sondern eine optische Ei-genschaft. Da sie aber mit der Bauform zusammenhängt, lassen sichdiese Themen schlecht trennen.

4.4.2 Montage

ist das wichtig? Man kann sich auf den Standpunkt stellen: der Hersteller liefert eineganze Palette von Geräten. Zylindrisch mit Gewinde, quaderförmig mitLöchern für die Befestigung mit Schrauben, separat zu montierende Sok-kel, auf die die Elektronik aufgesetzt wird (OL) usw. Die weitere Montageist dann die Sache des Anwenders. Nun ist aber gerade bei optischenSensoren die präzise Ausrichtung besonders wichtig, siehe z. B. 3.2.2.Durch den Einsatz von Lasersensoren gewinnt dieser Punkt noch an Be-deutung.

Aufwand Damit würde für den Anwender eine paradoxe Situation entstehen. Erbezieht, eventuell in größeren Stückzahlen, Sensoren als Seriengeräteund fertigt dann selber, unter hohem Aufwand, Halterungen dafür. Be-sonders aufwendig wird es, wenn er selbst Vorrichtungen entwickelnmuss, die er für die genaue Justage benötigt.

System Heute wird aber der Systemgedanke immer wichtiger. Der Anwender be-nötigt eben nicht nur den Sensor als einzelne Komponente, die er seinemSystem anpasst, sondern ein Sensorsystem, das ohne großen Aufwandbereit zum Einsatz ist. Unter diesem Aspekt ist es zu sehen, wenn das Zu-behör zur Montage nicht nur eine Ergänzung zum Sensorprogramm son-dern eine wichtige Systemkomponente darstellt.

Erste Schritte in diese Richtung waren die Entwicklung eines Befesti-gungssets für die Bauform OG und Befestigungswinkel für die BauformOL.

OG Wesentlicher Bestandteil des Befestigungssets ist der patentierte Klemm-zylinder, der mit einem Befestigungswinkel die einfache Justage in einerbeliebigen Richtung ermöglicht. Durch das Anziehen nur einer Schraubewird der Sensor fixiert, wobei alle beiden Raumwinkel beliebig eingestelltwerden können. Als Ergänzung kam noch eine Justageeinheit für Laser-geräte dazu.

OL Bei der Entwicklung der Befestigungswinkel für den OL wurde der Ge-danke verfolgt, auch die typische Applikation der Bauform zu berücksich-tigen. Beim OL ist die typische Applikation die Steuerung und Überwa-chung von Transportprozessen. Der Sensor soll z. B. Objekte auf einemFörderband erfassen. Bei vielen bewegten Objekten ist die Gefahr einermechanischen Beschädigung des Sensors größer als bei anderen Applika-tionen. Daher wurden spezielle Befestigungswinkel mit der Funktion Ge-räteschutz entwickelt.

Optische Sensoren

113

universell Diese Lösungen waren auf bestimmte Bauformen bezogen. Das nächsteZiel bestand darin, ein System zu entwickeln, mit dem möglichst vieleBauformen einfach zu montieren sind. Ein solches System muss, damit esübersichtlich und handhabbar bleibt, aus möglichst wenig Komponentenbestehen.

Anordnungen Begonnen wurde mit der Analyse der in der Praxis eingesetzten Monta-gearten. Man hat festgestellt, dass es sich im wesentlichen um drei Artenhandelt.

Rundprofil Viele Anwender verwenden Rundprofile bei der Montage optischer Sen-soren. Bei der Planung des mechanischen Aufbaus einer Anlage werdensie von vornherein vorgesehen. Der Klemmzylinder wurde für diese Mon-tageart entwickelt.

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Abbildung 104: Klemmzylinder und Rundprofil

Fläche Häufig ist auch die Montage an einer glatten Wand, z. B. an einem Ge-häuse, einer Abdeckung usw. Durch wenige zusätzliche Komponentenwird dieser Fall auf das Rundprofil zurückgeführt. Die einzige Aufgabe,die dem Anwender noch bleibt, ist die Fläche mit einer Bohrung zu ver-sehen.

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Abbildung 105: Fläche mit Rundprofil und Klemmzylinder

Schulungsunterlagen

114

Aluminiumprofil Ein häufig verwendetes Bauelement ist das Aluminiumprofil. Zur Anpas-sung, bzw. Rückführung auf das Rundprofil wurde ein weiteres Befesti-gungselement entwickelt, der Würfel, the Cube. Dadurch, dass sich dereigentliche Würfel, (c) in Abbildung 106, der die Gewindebohrung ent-hält, in verschiedenen Orientierungen einsetzen lässt, wurde wieder mitwenigen Komponenten eine flexible, universell einsetzbare Montageartverwirklicht.

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Abbildung 106: Aluminiumprofil mit Würfel

Mit den Befestigungsschrauben, (b) in Abbildung 106, lässt sich der Wür-fel an praktisch alle Profile anpassen und darüber hinaus an praktischjede eventuell vorhandene Nut.

Ähnlich wie bei der Flächenmontage geschieht die Anpassung an dasRundprofil.

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Abbildung 107: Würfel am Aluminiumprofil mit Schraube

Optische Sensoren

115

An der Schraube wird wieder der Klemmzylinder befestigt.

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Abbildung 108: Aluminiumprofil und Klemmzylinder

Die folgenden Abbildungen zeigen die Vielseitigkeit des Montagesystems.Hier wird deutlich, was damit gemeint ist, die Montage an die Flächeoder das Aluminiumprofil auf das Rundprofil mit Klemmzylinder zurück-zuführen.

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Abbildung 109: Rundprofil am Aluminiumprofil

Schulungsunterlagen

116

Kurbel In Abbildung 109 ist zu sehen, dass diese Art der Montage problemlosist, wenn das Rundprofil über das Aluminiumprofil herausragt. Wenn dasnicht der Fall ist, d. h. falls ein größerer Abstand vom Profil erforderlichist, dann kann das in Form einer Kurbel abgewinkelte Rundprofil einge-setzt werden.

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Abbildung 110: Rundprofil (Kurbel) mit Aluminiumprofil

Wie wird der Sensor montiert? In den Abbildungen war bisher kein Sensor zu sehen. Es sollte ja gezeigtwerden, dass das Montagesystem universell ist, für die Montage praktischjeden Sensortyps geeignet. Nur für die Montage des Sensors selbst wer-den spezifische Bauteile, die Haltewinkel, benötigt. Im folgenden werdenBeispiele gezeigt, eine ausführliche Übersicht ist in den Datenblättern zufinden.

Optische Sensoren

117

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Abbildung 111: Haltewinkel (1) und Klemmzylinder

Der Sensor, als Beispiel die Bauform OG wird am Haltewinkel befestigt.

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Abbildung 112: Sensor und Haltewinkel (1)

2 Winkel Der Klemmzylinder lässt sich um das Rundprofil drehen (natürlich bevorer mit (b) fixiert wird). Der Haltewinkel lässt sich am Klemmzylinder in ei-nen beliebigen Winkel einstellen. In Abbildung 112 lässt sich der Sensorz. B. genauso gut nach unten wie zur Seite ausrichten. Der Haltewinkelwird ebenso wie der Klemmzylinder durch (b) in seiner Position fixiert. Mitdieser einfachen und raschen Montage lässt sich der Sensor in eine belie-bige Richtung einstellen.

Das System wird durch weitere Haltewinkel abgerundet, mit denen prak-tisch alle Anforderungen erfüllt werden können.

Schulungsunterlagen

118

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Abbildung 113: Haltewinkel (2)

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Abbildung 114: Haltewinkel (3)

Lasersensoren Bei Lasersensoren ist die präzise Ausrichtung besonders wichtig. Für diesegibt es einen speziellen Haltewinkel, der eine zusätzlich Feineinstellungermöglicht.

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Abbildung 115: Haltewinkel zur Feineinstellung

Optische Sensoren

119

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Abbildung 116: Haltewinkel zur Feineinstellung mit Sensor

Andere Sensortypen werden mit anderen Haltewinkeln montiert.

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Abbildung 117: Haltewinkel für OL

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Abbildung 118: Haltewinkel für OL mit Sensor

Schulungsunterlagen

120

Bei diesem Beispiel gibt es den Haltewinkel auch in der Variante Geräte-schutz.

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Abbildung 119: Haltewinkel für OL mit Geräteschutz

Tripelspiegel Das gleiche System lässt sich auch zur Montage von Tripelspiegeln einset-zen. Die Anpassung geschieht wieder über entsprechende Haltewinkel.Zwei Beispiele dazu:

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Abbildung 120: Haltewinkel für rechteckigen Tripelspiegel

Optische Sensoren

121

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Abbildung 121: Haltewinkel für runden Tripelspiegel

Halterung OJ Am Gehäuse der sehr kompakten neuen Bauform OJ ist kein Platz fürBohrungen oder dergleichen zur Befestigung. Bei dieser Bauform musszunächst das Gehäuse auf die Halterung gesteckt werden.

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Abbildung 122: Halterung OJ

Schulungsunterlagen

122

Zu dieser Halterung gibt es dann weiteres Zubehör, z. B. einen Kugel-kopf, wie er auch in der Fotografie bekannt ist.

Abbildung 123: Kugelkopf beim OJ

4.4.3 UmlenkspiegelBei den zylindrischen Bauformen, OF, OJ, ist mit einer Mindestlänge zurechnen. Wenn der Platz nicht ausreicht, ist die Verwendung einer kom-pakteren Bauform, z. B. OJ, zu prüfen oder es können als Zubehör erhält-liche Umlenkspiegel verwendet werden, die den Strahl um 90° ablenken.Dabei ist zu beachten, dass sich die Reichweite reduziert und dass sienicht für Polfiltergeräte geeignet sind.

4.5 Übersicht

Dieses Kapitel enthält eine kurze Zusammenfassung der Standardgeräte.Damit es nicht unübersichtlich wird, folgen die Geräte mit speziellen Ei-genschaften im folgenden Kapitel.

Familie Charakteristisch für die Standardgeräte ist, dass es in der Regel bei dergleichen Bauform eine Reihe von Varianten gibt. Man spricht daher voneiner Gerätefamilie. Die Varianten sind:  ELS  RLS  RLT  RLT mit Hintergrundausblendung oder für den NahbereichAls Sender werden verwendet:  LEDs (meist mit infrarotem Licht IR)  LaserdiodenDazu kommt noch:  Gerät mit Optik (Linse)  Gerät als Verstärker für FiberoptikEs gibt auch Geräte. die nur für den Betrieb mit Fiberoptik ausgelegt sind.

Tabellen Die folgenden Tabellen sollen bei der Übersicht der Bauformen und Fami-lien helfen. Damit sie nicht zu unübersichtlich werden, wurden einige In-formationen zusammengefasst. Damit es keine Missverständnisse gibt,sollten die Hinweise im Anschluss an die Tabellen beachtet werden. Eineausführlichere Übersicht ist im Katalog zu finden.

Optische Sensoren

123

Bezeichnung Bauform ELS RLS RLT LED IR LED R Laser FiberOK Quader

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51*16*28 P  

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42*49*15

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OL

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     H

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70*90*30

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80*53*30

C  

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60*10*36

       

OJ

45*35*11

           

Schulungsunterlagen

124

Bezeichnung Bauform ELS RLS RLT LED IR LED R Laser Fiber     

B 

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M8 P           

P    OG

M12 H

 

       OI

M30   

Hinweise Der   steht für �vorhanden� oder �erhältlich�. Damit die Tabelle über-sichtlich bleibt, wurde nicht extra hervorgehoben, welche Optionen sichgegenseitig ausschließen oder miteinander kombiniert werden können.Das sollte aus dem Zusammenhang zu erkennen sein. Befindet sich z. B.ein   bei RLS und RLT, dann gibt es zwei verschiedene Geräte. Ist der  bei LED IR und bei Laser, dann bedeutet es auch zwei verschiedene Ge-räte. Zusammen bedeutet es, dass sowohl die RLS als auch der RLT wahl-weise mit einer IR LED oder einem Laser als Lichtsender erhältlich sind.Fiberoptikverstärker werden nicht mit einer Laserdiode betrieben.

Abkürzungen Spezielle Eigenschaften werden durch Abkürzungen gekennzeichnet.P Polfiltergerät (bei RLS)C Farbsensor (Colour), RGB

für RLT Folgende Abkürzungen betreffen die verschiedenen Typen von RLT:H HintergrundausblendungN NahbereichV VordergrundausblendungK KontrastB Bündelung

Bei speziellen Tastern wird das Licht durch eine spezielle Linse gebündelt.Damit können z. B. kleinere Objekte erfasst oder Einflüsse der Umgebungreduziert werden.

Optische Sensoren

125

4.6 Geräte mit besonderen Eigenschaften

4.6.1 Seitlich oder frontal

OJ Bei der Familie OJ gibt es die Besonderheit, dass praktisch alle Gerätewahlweise mit seitlicher oder frontaler Optik erhältlich sind. Auf dieseWeise lässt such die sehr kompakte Bauform optimal ausnutzen.

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Abbildung 124: OJ seitlich oder frontal

Die kompakte Bauform ließ sich nur erreichen, indem das Licht im Ge-häuse über einen Spiegel an den Empfänger geführt wird.

4.6.2 Externer Verstärker

Verstärker (externe Auswerteeinheit) Eine weitere Möglichkeit auch an nur schwer zugänglichen Stellen in Ma-schinen oder Anlagen Objekte zu erfassen, bietet sich durch die opto-efectoren mit externem Verstärker. Hier befinden sich Sender und Emp-fänger jeweils in einem kleinen Gehäuse, mit Gewinde M8 oder rechtek-kig, ähnlich 'microswitch'. Die elektrische Versorgung und Signalauswer-tung geschieht extern in einem Verstärkerbaustein. Bei diesen Gerätenmuss man beachten, dass die vorgegebene Kabellänge zwischen Sen-der/Empfänger und dem Verstärker (2m, 6m oder 10 m) nicht verlängertwerden darf, da es sonst zu Problemen bei der Signalumsetzung kommenkann. Die opto-efectoren der Bauformen OE und OR mit ihren entspre-chenden Verstärkern sind immer als Komplettsystem anzusehen. In einemSensorgehäuse befindet sich lediglich die Sendediode, im anderen derEmpfangstransistor. Die Signalauswertung wird im angeschlossenen Ver-stärker realisiert.

Abbildung 125: Bauform OE

Schulungsunterlagen

126

Die folgenden Fehler werden beim Einsatz dieser Geräte häufig gemacht:1. Am Verstärker werden falsche Geräte angeschlossen.2. Die opto-efectoren werden an falsche Verstärker angeschlossen.3. Es wird versucht aus Kostengründen den Verstärker selbst zu bauen.4. Mehrere Sender- und Empfängereinheiten werden an einen Verstär-

ker angeschlossen.

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Abbildung 126: Einweglichtschranke mit externem Verstärker

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Abbildung 127: Blockschaltbild OV 310

Optische Sensoren

127

Der OV 310 bietet eine Fülle weiterer Möglichkeiten  Anschluss von 2 opto-efectoren, dunkelschaltend (D), hellschaltend

(H) und programmierbar (H*)  Anschluss von induktiven und kapazitiven 2- oder 3-Leiter efectoren  Sperrung des Ausgangssignals an Klemme 8 des Verstärkers, z.B. als

Anlaufüberbrückung für eine Maschine  Im Impulsbetrieb kann das Signal invertiert werden; das Gerät schal-

tet dann nicht auf die ansteigende Flanke sondern auf die abfallende(und umgekehrt).

  Die Ausgangsstufe ist auf ein Relais mit einem Wechsler geführt, da-durch ergibt sich eine Schaltfrequenz von max. 16 Hz.

  Das Gerät lässt sich wahlweise mit 24 V DC oder 220 V AC versor-gen.

  Der Arbeitszustand wird komfortabel durch 3 LEDs angezeigt: Stromversorgung - grün,Signal vom opto-efector - gelb (mit der schon bekannten Blink-anzeige) undAusgang - rot (LED leuchtet, wenn Relais angezogen hat).

Zusammenfassend kann man sagen, dass es sich bei diesem Gerät fastschon um eine Art Kleinsteuerung handelt.

4.6.3 Kontrasttaster

Dieser Taster der Bauform OC ist besonders empfindlich für Unterschiededer Intensität, eben Kontraste. Er eignet sich besonders dafür, Markie-rungen, z. B. auf einer Papierbahn, zu erfassen. Als einziges Gerät ist ermit einer grünen LED (565 nm) ausgestattet.

13,5 mm Besonders ist zu beachten, dass der Lichtfleck auf eine Entfernung von13,5 mm fokussiert ist.

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Abbildung 128: Kontrasttaster

Neigung Bei stark reflektierenden (spiegelnden) Objekten ist eine leichte Neigungdes Geräts zu empfehlen.

Justierung Die Justierung und Einstellung geschieht ähnlich wie bei den anderen Ge-räten mit Potentiometer.

Schulungsunterlagen

128

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Abbildung 129: Einstellung des Kontrasttasters

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4.6.4 Farbsensor

Die Grundlagen der Farberkennung wurden in 2.2.3 besprochen. Hier solles um den praktischen Einsatz gehen. Die Einsatzfälle sind ähnlich wiebeim Kontrasttaster.

Abbildung 130: Farbsensor

Neigung Bei stark reflektierenden (spiegelnden) Objekten ist wieder eine leichteNeigung des Geräts zu empfehlen.

transparent Bei transparenten Objekten ist zu prüfen, ob der Sensor so montiert wer-den kann, dass er dieses durchstrahlt. Mit einem geeigneten Reflektor ar-beitet er dann in der Art einer RLS. In diesem Fall ist diese Methode vor-zuziehen.

Optische Sensoren

129

Einstellung Die folgende Abbildung 131 zeigt die Bedienelemente des Geräts.

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Abbildung 131: Bedienfeld des Farbsensors

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Schulungsunterlagen

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Abbildung 132: Einstellung des Farbsensors

Optische Sensoren

131

5 Infrarotsensoren

separat Da es sich hierbei um spezielle Geräte mit einem, gegenüber den vorherbesprochenen, abweichenden Funktionsprinzip handelt, werden sie auchin einem eigenen Kapitel behandelt.

Bezeichnung Gelegentlich werden diese Geräte auch als Temperatursensoren bezeich-net. Das ist etwas missverständlich.  Die Geräte eignen sich nur bedingt zur Messung einer Temperatur

(siehe 5.1.2)  Sie sollten nicht mit den Temperatursensoren verwechselt werden,

die als efector 600 angeboten werden. Diese messen die Temperatur,zeigen die Werte an oder geben sie als Analogsignal aus.

5.1 Funktionsprinzip

Wozu? Die Infrarotsensoren sind für die berührungslose Erfassung heißer (oderauch kalter) Gegenstände bestimmt. Es handelt sich dabei um tempera-turabhängige elektronische Schalter. Sie überwachen und signalisierendas Über- bzw. Unterschreiten bestimmter Temperaturen. Ebenso wie dieefectoren, liefern auch diese Geräte ein binäres Ausgangssignal. Analog-ausgänge stehen nicht zur Verfügung.

Im folgenden wird an einige Punkte, die in 2.2 ausführlich beschriebenwurden, nur noch kurz erinnert. Wenn das Verständnis schwer fällt, dannsollte zuerst dieser Abschnitt durchgearbeitet werden.

Wie ? (Nur ganz kurz) Die Sensoren der efector 200-Geräte System-infrarot sind prinzipiell Foto-empfänger, die die Wärmestrahlung des zu erfassenden Objektes emp-fangen und in ein Schaltsignal umsetzen.Funktionsgrundlage der Detektoren ist die Erwärmung eines Kristallsdurch Absorption von Infrarotstrahlung, wobei die entstehende Oberflä-chenladung ein Maß für die Strahlungsleistung ist.

5.1.1 Strahlung

Kein Kontakt? Herkömmliche Sensorsysteme zur Temperaturerfassung benötigen ent-weder einen direkten Kontakt mit dem abzutastenden Objekt oder zu-mindest ein wärmeleitendes Medium (zum Beispiel: Wasser, Luft) zwi-schen Objekt und Sensor. Die Geräte mit Infrarotsystemen dagegen er-fassen die vom erhitzten Objekt ausgesendete Wärmestrahlung, die sichals elektromagnetische Welle im Infrarotbereich fortpflanzt. Diese Wär-meübertragung durch Strahlung benötigt keine Medien wie Luft oderWasser, sondern sie ist auch im Vakuum möglich. Ein einleuchtendes Bei-spiel wie die Strahlung der Sonne in Energie umgesetzt werden kannzeigt unsere Erde. Da das zwischen Sonne und Erde liegende Universumkeine wärmeleitenden Medien enthält, empfängt sie die Wärme durchelektromagnetische Strahlung.

passive Sensoren Die Sensoren der efector200-Geräte System-infrarot sind prinzipiell Foto-empfänger, die die Wärmestrahlung des zu erfassenden Objektes emp-

Schulungsunterlagen

132

fangen und in ein Schaltsignal umsetzen. D.h., anders als bei den Licht-schranken wird nicht das Licht von einem speziell angeordneten Senderempfangen und umgesetzt, sondern es wird die, von jedem Körper aus-gesendete Wärmestrahlung aufgenommen und ausgewertet.

sind das optische Sensoren? Das Funktionsprinzip ist optisch, deshalb können sie auch zu dieserGruppe gezählt werden. Man kann sie am ehesten mit Tastern verglei-chen, die melden: �Objekt erfasst� bzw. �Objekt nicht erfasst�, nur dasssie eben selbst keine Strahlen aussenden. Das Objekt muss nur, um er-fasst werden zu können, genügend Wärmestrahlung aussenden. Mankann sie aber auch ähnlich wie eine Lichtschranke einsetzen. Werden sieauf einen wärmeren Hintergrund eingestellt, und wird der Lichtwegdurch ein kälteres Objekt unterbrochen, dann können sie wie vorher, nurjetzt in der umgekehrten Funktion arbeiten. Auf diese Weise wird z. B.mit der Bauform OWI Speiseeis auf einem Förderband erfasst. Um solcheAnwendungsmöglichkeiten zu erkennen, ist die Phantasie des Anwendersund des Beraters gefordert.

Wärmestrahlung In 2.1.2 wurde beschrieben in welchen Bereichen der Wellenlänge elek-tromagnetischer Strahlen, die Infrarotstrahlung liegt. Infrarotstrahlungkann mit Wärmestrahlung gleichgesetzt werden. Der Bereich ist demnachca. 0,75 µm bis 1 mm.

Wellenlänge Wie in Abbildung 14 an einem Beispiel zu sehen ist, gibt es Empfänger,die im IR-Bereich ihre maximale Empfindlichkeit haben. Bei den IR-Senso-ren wird aber nicht die ganze Breite der Kurve ausgenutzt. Durch geeig-nete Maßnahmen (Filterung), empfängt der OWI Wellenlängen im Be-reich von 6 � 14 µm, die anderen Typen im Bereich 0,9 � 2 µm.

5.1.2 Emissionsgrad

Bei der Temperaturerfassung mit Infrarotsensoren spielen zwei Faktoreneine wichtige Rolle, durch deren Eigenschaften und Einflüsse das Ergebnishauptsächlich beeinflusst wird. Diese beiden Punkte sind der Emissions-grad und die Wellenlänge (siehe 2.2)

Strahlung materialabhängig Jeder Körper sendet oberhalb des absoluten Nullpunktes (0 K = - 273°C)elektromagnetische Strahlung aus. Die Intensität dieser Strahlung hängtvon dem Emissionsgrad "E" des Materials ab und ist eine wichtige Größebei der Auswahl des Infrarotsensors. Das höchste Strahlungsvermögenbesitzt ein sogenannter "Schwarzer Strahler" (siehe 2.2.1 und Abbildung11) mit dem Emissionsgrad E = 1. Für den Abgleich der Infrarotsensorenwird ein Strahler mit E = 0,99 verwendet, der also dem Ideal des schwar-zen Strahlers sehr nahe kommt. Der Emissionsgrad entspricht übrigensimmer seinem Absorptionsgrad, d. h. das Vermögen Licht und andereelektromagnetische Strahlung aufzunehmen (zu absorbieren) oder zu-rückzuwerfen (zu reflektieren). Für den praktischen Einsatz der Infrarot-sensoren sind folgende Punkte von großer Wichtigkeit:  Das abzutastende Objekt sollte einen möglichst großen Emissions-

grad E besitzen.  Die Temperatur des Objektes sollte möglichst hoch sein (Minimum ist

die Schalttemperatur des Sensors).  Die Strahlungsleistung sollte so groß wie möglich sein. Sie hängt un-

ter anderem vom Volumen und von der Größe der Oberfläche desObjektes ab.

Optische Sensoren

133

Der Tabelle im Anhang können einige Werte für Emissionsgrade ent-nommen werden. Zu beachten ist dabei die große Spannweite. Es tretenWerte zwischen 0,01 und 0,95 auf!

Aufgrund der unterschiedlichen Emissionsgrade ist es in der Praxis mög-lich, dass die Infrarotsensoren bei verschiedenen Objekten trotz gleicherOberflächentemperatur unterschiedliches Schaltverhalten zeigen. So wirdzum Beispiel Gusseisen sehr sicher erkannt, Aluminium dagegen nurschwierig. Abhilfe kann hier durch den Einsatz eines empfindlicherenSensors und die Verringerung des Schaltabstandes geschaffen werden.Bei schwierig zu erfassenden Materialien werden Versuche vor Ort emp-fohlen (siehe 5.2). Der Emissionsgrad kann auch durch spezielle Lackeverbessert werden (siehe 5.2.3).

Faustregel Je dunkler, rauer und matter eine Oberfläche ist, desto besser wird dasObjekt erkannt. Und je heller, glatter und glänzender eine Oberfläche ist,desto schlechter wird das Objekt bei gleicher Temperatur erkannt.

5.1.3 Technik

was gibt es alles? Das Sensorprogramm umfasst Sensoren mit festen Schalttemperaturenvon 350°C, 500°C, 750°C und 900°C und Sensoren mit zwei unabhän-gig von einander einstellbaren Schaltpunkten, die im Temperaturbereich50°C bis 500°C eingestellt werden können. Die Geräte mit festen Schalt-temperaturen sind sowohl mit Glas-, als auch mit Fiberoptik erhältlich. Einpraxisgerechtes Zubehörprogramm erleichtert die Montage und erweitertdie Einsatzmöglichkeiten. Die einstellbaren Sensoren werden mit einerKunststoff-Fresnellinse geliefert.

Aus der Gerätefamilie mit einstellbarem Temperaturbereich wird vorläufigkein Gerät mit Fiberoptik erhältlich sein, da das Glas die zu erfassende IR-Strahlung in dem Wellenbereich absorbiert (Solarheizung). Glasfiberopti-ken können erst ab einer Temperatur oberhalb 350°C eingesetzt werden.

Das folgende Diagramm (Abbildung 133) zeigt die wesentlichen Datender verschieden Typen. Rechenbeispiele zur Auswahl eines geeignetenSensors folgen in 5.2.

Schulungsunterlagen

134

Abbildung 133: Übersicht IR-Sensoren

Die Elektronik der Infrarotsensoren besteht aus einem Fotoelement miteinem Vorverstärker, einer Auswertung und einer Endstufe. Das Fotoele-ment besteht bei den Bauformen OWS, OWL und OWF mit Temperatur-bereich 350°C bis 500°C aus Germanium-Elementen, im Bereich 750°Cbis 900°C werden Elemente aus Silizium eingesetzt und der OWI hatThermopile-Elemente. Die von dem abzutastenden Objekt ausgesendeteInfrarotstrahlung gelangt durch eine Optik zum Fotoelement. Durch Ab-sorption dieser Strahlung erwärmt sich der Kristall und bewirkt dort eineSpannungsänderung. Diese wird von der Auswertestufe und der Endstufein ein Schaltsignal umgesetzt. Die Schaltzustandsanzeige des jeweiligenAusgangs erfolgt mit Hilfe einer gelben LED. Die OWI-Typen haben zu-sätzlich eine grüne Betriebsanzeige.

Abbildung 134: IR-Sensor

Die DC-Geräte sind kurzschluss- und überlastfest und verpolungssicher.Der Spannungsbereich beträgt bei den Versionen mit fester Schalttempe-ratur 10 - 55 V DC bzw. 20 - 250 V AC/DC und bei den Geräten mit denzwei einstellbaren Schaltpunkten 10 - 36 V DC. Die Elektronik befindetsich in einem robusten, mattverchromten Messinggehäuse und ist voll-vergossen. Die Geräte haben die Schutzart IP 65. Um Störungen durchsichtbares Licht zu reduzieren, sind alle Geräte mit einem wirkungsvollenIR-Filter vor dem Fotoelement ausgestattet, wobei die neuen OWI-Geräteeine, für das sichtbare Licht undurchlässige Fresnellinse besitzen (Durch-lass-Bereich 6-14µm).

Optische Sensoren

135

5.2 Hinweise zum praktischen Einsatz

Ein Vorteil der berührungslosen Temperaturerfassung gegenüber anderenVerfahren ist, dass keinerlei mechanische Verbindung zwischen dem Sen-sor und der Oberfläche des Messobjektes besteht und somit die chemi-sche Verträglichkeit zwischen Sensor und Medium kaum jemals ein Pro-blem ist. Berührungslose Temperatursensoren detektieren die Tempera-turstrahlung, so wie unsere Haut sie registriert, wenn ein heißer Gegen-stand in der Nähe ist.

5.2.1 Öffnungswinkel

Je nach Materialtemperatur des zu erfassenden Objektes wird der pas-sende Infrarotsensor ausgewählt. Die Schalttemperatur des Sensors solltedabei maximal so hoch sein, wie die Temperatur des Objektes. Die Wahleiner niedrigen Schalttemperatur erhöht die Empfindlichkeit des Systems.Weiterhin hängt die Empfindlichkeit des Sensors direkt vom gewähltenSchaltabstand und vom Emissions- bzw. Absorptionsvermögen des zu er-fassenden Gegenstandes ab. Aufgrund des optischen Strahlengangs be-sitzen die Geräte eine kreisförmige Sensorzone, deren Fläche vom Schalt-abstand l und dem jeweiligen Öffnungswinkel des Gerätes abhängt (sieheSkizze).

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Abbildung 135: Öffnungswinkel und Abstand

Was bedeutet das praktisch? In der Praxis ergeben sich Fragen, wie z. B.: die Größe des Objekts (d) undder Abstand (l) sind vorgegeben, welches Gerät (mit welchem Öffnungs-winkel) ist zu wählen? Oder: die Größe des Objekts (d) und der minimaleÖffnungswinkel (0,6°) sind vorgegeben, wie groß ist der maximale Ab-stand (l) des Sensors? Um bei der Beantwortung solcher Fragen helfen zukönnen, muss man den Zusammenhang untersuchen. Zunächst wird derÖffnungswinkel diskutiert. Dann folgen Formeln und Rechenbeispiele.Wen es abschreckt, hier rechnen zu müssen, der sei gleich auf Abbildung136 verwiesen. Wenn keine Lösung gefunden werden kann, dann kannnoch die Beachtung des Bedeckungsgrads (siehe weiter unten) helfen.

Der Öffnungswinkel wird im Katalog und auf dem Typenschild angege-ben.

Bitte beachten: dieser Winkel bezieht sich auf die obere und untereGrenze des Erfassungsbereichs (Abbildung 135). Für die folgenden geo-

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136

metrischen Berechnungen ist es zweckmäßiger den Winkel gegen die Ho-rizontale, also /2, zu verwenden. In diesem Fall ist statt des Durchmes-sers d der Scheibe deren Radius d/2 zu verwenden. In anderen Zusam-menhängen wird auch der Winkel /2 als Öffnungswinkel bezeichnet.

Was ist der Öffnungswinkel? Welche Größe ( oder /2) als Öffnungswinkel bezeichnet wird, ist jedemselbst überlassen. Es muss ja nicht alles durch Normen festgelegt sein. Beikleinen Winkeln muss man auch nicht so genau sein, man erhält nähe-rungsweise das gleiche Ergebnis, wenn man in den folgenden Formeln

/2 durch und d/2 durch d ersetzt. Das ist bei allen Geräten außer derspeziellen Linse für Fiberoptiken mit 68° der Fall.

Es ergeben sich folgende Zusammenhänge:

( 8) ãl

d2

2 tanarc Öffnungswinkel

( 9) 22

78504

dd

F ,ã Fläche

( 10)78502

2,

tanF

ld ã Durchmesser

( 11)

22

ãtan

dl Reichweite

Wie oben erwähnt, kann man für eine Überschlagsrechnung bei kleinenWinkeln auch die Näherung verwenden:

( 12)ld

tan

Hierzu zwei Beispiele:

1 Ein Stahlkörper mit der Temperatur von ca. 400 °C und einer in Richtungdes Sensors zeigende Oberfläche von ca. 50 cm² soll in einer Distanz von4 m erfasst werden. Gesucht wird der geeignete Infrasensor. Das Sicht-fenster des Sensors F darf dabei höchstens so groß wie die Fläche desStahlkörpers A sein, d.h.:

F A = 50 cm²T = 400 °Cl = 4 m = 400 cm

Aus ( 10) folgt:

Optische Sensoren

137

cmcm

d 9877850

50 2,

,

Mit ( 8) wird der Öffnungswinkel des Gerätes berechnet.

pã 1418009872 ,,

tanarccmcm

Ausgewählt wird ein Infrarotsensor mit 350 °C Schalttemperatur und ei-nem Öffnungswinkel von 1°. Ist das abzutastende Objekt erheblich grö-ßer als das berechnete Sichtfenster, ergibt sich in der Praxis eine entspre-chend hohe Funktionsreserve (z.B. zur Kompensation von Verschmutzun-gen der Optik).

2 Ein Stahlkörper mit einer Temperatur von ca. 850 °C und einer zum Sen-sor weisenden Oberfläche von 0,5 m² soll in einer Distanz von 4,8 m er-fasst werden. Es soll ein Infrasensor mit einer Schalttemperatur von 750°C und einem Öffnungswinkel von 1,2° verwendet werden. Also:A = 0,5 m ²a = 4,8 m

= 1,2 °

Der Durchmesser d des Sichtfensters des Infrarotsensors berechnet sichgemäß ( 10):

d = 2 *4,8 m * tan 0,6° = 0,1 m

Die Fläche des Sichtfensters beträgt nach ( 9) :

F 0,785 * (0,1 m)² = 0,00785 m² = 78,5 cm²

Die Objektoberfläche ist also erheblich größer als das Sichtfenster desverwendeten Infrarotsensors. Es wird daher sicher erfasst.

Ein wenig einfacher wird die Auswahl eines passenden Infrarotsensorsmit Hilfe der folgenden Abbildung 136. Hier sind Sensorzonendurchmes-ser (Sichtfenster), erhältliche Öffnungswinkel und zu erzielende Schaltab-stände direkt ablesbar.

Man erkennt, dass z.B. die Sensorzone (das Sichtfenster) eines Infrarot-sensors mit dem Öffnungswinkel von 1° in 4 m Entfernung einen Durch-messer von ca. 7 cm hat. Das bedeutet, der zu erfassende Gegenstandmit entsprechender Oberflächentemperatur sollte zumindest eine Flächemit diesem Durchmesser vollständig abdecken, um sicheres Schalten zugewährleisten.

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Abbildung 136: Diagramm Öffnungswinkel Abstand Durchmesser

Bedeckungsgrad Ist der Bedeckungsgrad geringer als 100%, müssen folgende Maßnah-men angewendet werden, um einwandfreies Schalten zu ermöglichen:- anderen Sensor mit niedriger Schalttemperatur wählen- Schaltabstand verringern- Objekttemperatur erhöhen

Das Temperatur-Ansprech-Diagramm unten gibt Hinweise darauf, umwie viel Grad die Objekttemperatur erhöht werden muss, wenn der Be-deckungsgrad geringer als 100 % ist.

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Þ»¼»½µ«²¹­¹®¿¼Þ»¼»½µ«²¹­¹®¿¼

Abbildung 137: Bedeckungsgrad und Temperatur

Dabei handelt es sich um Richtwerte.

Optische Sensoren

139

5.2.2 Einstellung beim OWI

Die Geräte mit variabler Temperatureinstellung haben einen Öffnungs-winkel von 7°. Das folgende Diagramm stellt die Abtastfläche in Abhän-gigkeit zum Schaltabstand dar. Bei einem Referenzstrahler (E=0,99) kannder Schaltpunkt in einem Temperaturbereich von +50°C bis +500°C ein-gestellt werden.

Abbildung 138: Abstand und Größe beim OWI

Die Sensoren mit festem Temperaturbereich sind werksseitig auf maxi-male Empfindlichkeit und auf eine bestimmte Temperatur abgeglichen.Diese Einstellungen können von außen nicht verändert werden. Die IR-Sensoren OWI jedoch haben zwei Potentiometer, um die Reaktionstem-peraturen einzustellen. Dabei ist es gleichgültig, welcher Ausgang für dieuntere und welcher Ausgang für die obere Reaktionstemperatur festge-legt wird.

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Abbildung 139: Schaltverhalten des OWI

Aufgabenstellung Beispielhaft soll der Vorgang der Einstellung anhand einer Applikation er-klärt werden, bei der ein Temperaturfenster an einer Produktionsanlageüberwacht werden soll. Es darf eine Mindesttemperatur (130°C) nicht un-terschritten werden und eine Maximaltemperatur (150°C) nicht über-schritten werden.

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140

Der Ausgang A1 soll bei 130°C schalten.Der Ausgang A2 soll bei 150°C schalten.

In Abbildung 139 wird das Schaltverhalten des Sensors in Abhängigkeitvon der Temperatur grafisch dargestellt.

Es ergeben sich folgende logische Kombinationsmöglichkeiten für dieAusgänge A1 und A2:  Kein Ausgang: Temperatur unterschritten  Ausgang A1: Temperatur in dem gewünschten Bereich  Ausgang A1 und A2: Temperatur überschritten.

Die Einstellung der Potentiometer erfolgt nun folgendermaßen.

In der Grundeinstellung werden die Potentiometer für den Ausgang A1und den Ausgang A2 auf minimale Empfindlichkeit gedreht (Linksan-schlag).

Die Produktionsanlage wird nun so eingestellt, dass das Messgut mit derunteren Temperaturgrenze den IR-Sensor passiert. Das Potentiometer fürden Ausgang A1 wird nun so lange heraufgedreht (Rechtsdrehung), bisder Ausgang A1 schaltet. Der Sensor ist nun auf die untere Schalttempe-ratur eingestellt. Sobald der Ausgang A1 schaltet, ist die Mindesttempe-ratur überschritten.

Die Produktionsanlage wird jetzt so eingestellt, dass das Messgut mit deroberen Temperaturgrenze den IR-Sensor passiert. Das Potentiometer fürden Ausgang A2 wird nun so lange heraufgedreht (Rechtsdrehung), bisder Ausgang A2 schaltet. Der Sensor ist nun auf die obere Schalttempe-ratur eingestellt. Sobald der Ausgang A2 schaltet, ist die Maximaltempe-ratur überschritten.

konstanter Emissionsgrad Es wurde stillschweigend vorausgesetzt, dass der Emissionsgrad konstantbleibt. Abgesehen von Ausnahmefällen ist das näherungsweise richtig.

5.2.3 Bedingungen für die Anwendung

Temperaturunterschied Bei der Einstellung des IR-Sensors muss immer berücksichtigt werden,dass zwischen dem Messobjekt und der Umgebungstemperatur ein Tem-peraturunterschied von mindestens 20°C besteht.

Negativer Temperaturunterschied Auf eine schwierige Applikation sei hier hingewiesen. Ist das Messgut käl-ter als die Umgebung, so ergibt sich das Problem, dass im ungünstigstenFall nicht die Temperatur des Messobjektes überwacht wird, sondern dieWärmestrahlung von heißeren umliegenden Körpern, die vom Messob-jekt reflektiert wird. Dieses Problem tritt in Öfen auf, wo ein Messgut aufeine maximale Temperatur überwacht werden soll.

Abstand Der Schaltabstand bei Geräten mit Glasoptik sollte nicht größer als 5 msein, da sonst die Strahlungsverluste zu groß werden. Bei Fiberoptikan-wendungen mit Vorsatzoptik sollten nicht mehr als 1,5 m Schaltabstandvorgesehen werden. Das Infrarotgerät wird an der gewünschten Stellemontiert und auf das Objekt ausgerichtet.

Optische Sensoren

141

Montage Zur einfachen Montage ist ein robuster Montagefuß als Zubehör erhält-lich.

Hohe Umgebungstemperaturen Bei Umgebungstemperaturen größer +60°C muss eine Fiberoptik einge-setzt werden, die bis +250°C verwendet werden kann. Für die Fiberopti-ken werden Vorsatzlinsen mit 2° oder 7° Öffnungswinkel als Zubehörangeboten.

Hintergrundstrahlung Treten Störungen durch Hintergrundstrahlung auf, können diese durchEinsatz eines unempfindlicheren Sensors mit höherer Schalttemperaturausgeblendet werden.

Lack Als Lösung bei sehr schwach oder sehr ungleichmäßig strahlenden Mate-rialien bietet sich ein Lack- oder Folienüberzug an. Dadurch erreicht maneine Homogenisierung des Emissionsgrades einer Oberfläche. Besondersgeeignet sind dafür sprühfähige Lacke, die in der folgenden Tabelle auf-geführt sind. Durch diese in der Praxis erprobten Überzugsschichten er-reicht man Emissionswerte von über 0,9. Damit der gewünschte Erfolgauch eintritt, darf eine von den Transmissionseigenschaften abhängigeMindestdicke der Lackschicht nicht unterschritten werden. Zu beachtenist, dass man bei diesem Verfahren nicht die Oberflächentemperatur desMaterials erfasst, sondern die Temperatur des Lacküberzugs. Differenzenvon einigen Graden sind möglich.

Überzuglack Schichtdicke[µm]

E[µm]

Elektroisolierschutzlack(lötbar RL 659)

120 0,94 2...30

Elektroisolierüberzuglack(RL 630)

100 0,92 2...30

Polyurethanlack(Syspur L 8632)

100 0,93 2...30

Nitromattlack (schwarz) 15 0,93 2...30Black Krylon 12,5 0,98 5,6Parsons Black 50 0,96 5,6

Blanke Materialien Eine weitere Möglichkeit, blanke Materialien besser zu detektieren, be-steht darin, den IR-Sensor genau rechtwinklig (90°) zu dem Messobjektzu installieren.

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142

Heiße Stahlplatten In Walzwerken werden heiße Stahlplatten durch IR-Sensoren erfasst

Abbildung 140: Erfassen heißer Stahlplatten

Problematisch ist hier die hohe Temperatur, wenn ein Blech, das nochglühend heiß ist, sehr langsam über den Sensor hinweggefahren wird.Herabrieselnder Staub kann sich auf die Optik niederschlagen.Die Umgebungstemperatur kann in einem Walzwerk im Winter beinaheAußentemperatur annehmen, wenn große Rolltore offen stehen. Da-durch können sich unter Umständen die Bleche bei langsamen Transportvollkommen abkühlen.

Schutztubus Um die Geräte vor Schmutz und seitlicher Störstrahlung zu schützen, istein Schutztubus als Zubehör erhältlich. Dieser verfügt über einen Druck-luftanschluß, über den eine automatische Säuberung der Optik durchge-führt werden kann (siehe Abbildung 140).

Blanke Materialien bei niedrigen Temperaturen.Welche Bedingungen müssen erfüllt sein?

Der Sensor muss zur Kühlung und zum Schutz vor Staub mit Luft ange-blasen werden. Es empfiehlt sich, den Sensor in ein Schutzgehäuse auseinem schwach strahlenden Material einzubauen (z. B. Aluminium).

Typische Anwendungen für den OWI Die erhöhten Anforderungen an die Qualitätssicherung und die Steige-rung der Produktivität zwingen die Industrie zu immer höherer Automati-sation. Wo früher das Personal einen kontrollierenden Blick auf den Ma-terialfluss geworfen hat, bietet sich mit dem neuen Sensor OWI ein preis-günstiges System an, um die Produktion kontinuierlich und automatischzu überwachen.

Die berührungslose Temperaturerfassung wird eingesetzt  an bewegten Teilen,  bei schwer zugänglichen Objekten,  an Materialien mit kleinen Wärmekapazitäten,  an spannungsführenden Objekten,  an klebenden Materialien wie Teig, Klebstoff usw.,  an oberflächenbehandelten Gegenständen wie z. B. lackierten Ober-

flächen,  an aggressiven Medien wie Säuren und Laugen,  in Anwendungen, bei denen schnelle Reaktionszeiten gewünscht

sind.

Optische Sensoren

143

6 Applikationen

6.1 Optische Sensoren

Genau genommen gehören die IR-Sensoren auch in diese Gruppe. Da siein ihrer Funktion und erst recht in den Anwendungen von den anderenabweichen, werden sie, wie bei der Technik, in einem separaten Kapitelbehandelt (siehe 6.2).

6.1.1 Gerätetypempfehlungen

welcher Sensor? Kriterien für die Auswahl zwischen induktiven, kapazitiven, optischenusw. Sensoren, wurden schon in 3.1 diskutiert. Es soll nun davon ausge-gangen werden, dass man sich für einen optischen Sensor entschiedenhat.

welcher Typ? Es bleibt dann immer noch, den Sensortyp auszuwählen. In 3 wurden dieverschiedenen Typen mit ihren Vor- und Nachteilen sowie Hinweisen fürdie Praxis ausführlich beschrieben. Wenn es darum geht, spezielle Appli-kationsprobleme zu lösen, dann sollte dort nachgeschlagen werden. Hiersollen nur noch einmal einige Auswahlkriterien kurz zusammengefasstwerden.

ELS Allgemein kann man sagen, immer wenn es auf hohe Betriebssicherheitankommt, sollte man eine Einweglichtschranke einsetzen. Mit dieser Artvon optischen Sensoren ist ein besonders sicheres Schalten und dies beider größtmöglichen Reichweite gewährleistet.

RLS Sollte sich eine Einweglichtschranke nicht einsetzen oder montieren las-sen oder ist der Aufwand dabei zu hoch, so könnte eine Reflexlicht-schranke in Betracht gezogen werden (sicherer Schaltpunkt bei den meis-ten Materialien, halbe Reichweite als bei der ELS, einfachere Montage,leichtes Justieren, usw.).Sollen mit der Lichtschranke transparente Gegen-stände erfasst werden, so kann ein sicheres Schalten durch ein Verstellender Empfängerempfindlichkeit erreicht werden. Bei hochglänzenden Ob-jekten sollten zur Erhöhung der Störsicherheit Geräte mit Polarisationsfil-ter einsetzt werden. Bei sehr kleinen Objekten oder geringem Montage-platz bieten sich Geräte mit Lichtleitern oder externem Verstärker an.Speziell bei kleinen Objekten sind Laser sehr gut geeignet.

RLT Der Reflexlichttaster sollte zum Einsatz kommen, wenn das Objekt mit ei-ner Lichtschranke nicht zu erfassen ist, z. B. wenn man ausschließlich voneiner Seite das Objekt abfragen kann oder wenn es so transparent ist,dass es von einer Lichtschranke nicht erkannt wird. Sollten sich beim Er-fassen mit einem Taster Probleme durch Reflexionen aus dem Hinter-grund ergeben, so bieten sich die Nahbereichstaster an. Wie schon er-wähnt, lässt sich die Empfindlichkeit des Empfängers am Potentiometerverstellen (verringern).

Die Einstellung der Empfindlichkeit bei Lichtschranken sollte jedoch nurbeim Erfassen von nahezu transparenten Gegenständen vorgenommenwerden, da man hierbei immer eine Verschlechterung der Betriebssicher-

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144

heit in Kauf nehmen muss (Bei Tastern ist diese Einstellung in der Regelnotwendig, damit der Taster sicher auf das Objekt und nicht auf den Hin-tergrund schaltet). Die Programmierung, besser gesagt das Teach-In Ver-fahren, macht es leicht und sicher, die optimale Einstellung zu finden.

Größe Ein Auswahlkriterium ist auch die Größe der Objekte. Bei sehr kleinenObjekten oder geringem Montageplatz bieten sich Geräte mit Lichtleiternoder externem Verstärker an. Speziell bei kleinen Objekten sind Laser sehrgut geeignet.

6.1.2 Anwendungsbeispiele

Die folgenden Abbildungen zeigen einige Beispiele für die vielseitigenEinsatzfälle von optischen Sensoren.

heiße Umgebung Fiberoptiken mit Metallmantel sind für den Einsatz bei Temperaturen biszu 290 °C geeignet. Sie werden Zur Abfrage von Produktionsgütern mithoher Eigentemperatur eingesetzt.

oder

Abbildung 141: Heiße Umgebung

Optische Sensoren

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Überwachung von Kanten Bei Papier-, Kunststoff- oder Textilbahnen werden die Kanten und derDurchhang durch ELS und RLT überwacht.

Abbildung 142: Überwachung von Kanten

Kontrolle der Befüllung, Sortierung Die Sensoren kontrollieren, ob die Kartons, die auf einem Transportbandlaufen, befüllt sind. Leere Kartons werden durch den Schieber aussortiert.

Abbildung 143: Kontrolle der Befüllung

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Überwachung einer Transportanlage Optische Sensoren erfassen Objekte auch aus größeren Entfernungen, z.B. an einer Transportanlage für Metallplatten.

Abbildung 144: Überwachung einer Transportanlage

Lagertechnik Einsatz einer Reflexlichtschranke zur Überwachung der Stapelhöhe.

Abbildung 145: Reflexlichtschranke in der Lagertechnik

Optische Sensoren

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Auffahrsicherung Optische Sensoren sind als Auffahrsicherung an einer Krananlage eingesetzt.Der Lichtstrahl ist jeweils schräg gerichtet. Dadurch fällt der Strahl erst auf denReflektor (Tripelspiegel), wenn die Objekte einander zu nahe kommen. DurchVerdoppelung der Sensoren wird doppelte Sicherheit erreicht.

Zu beachten! Diese Beschreibung zu Abbildung 146 betrifft nur den Schutz der Anlage.Der Anwender ist nach wie vor in der Pflicht, sich zu vergewissern, dassAnordnungen, die dem Personenschutz dienen, über die erforderlichenAbnahmen verfügen.

Abbildung 146: Auffahrsicherung

Hintergrundausblendung Reflexlichttaster mit Hintergrundausblendung grenzen den Tastbereichauf einstellbare, geometrisch abgegrenzte Bereiche ein. Damit ist esmöglich, störende Elemente (z. B. glänzende Maschinenteile), die sichhinter dem Tastgut befinden, optisch auszublenden. Innerhalb des Tast-bereiches befindliche Objekte werden weitestgehend unabhängig von ih-ren Reflexionseigenschaften (Farbe, Größe, Oberfläche) erkannt. Die ef-fektive Tastweite ist damit nicht vom Tastgut sondern ausschließlich vomeingestellten Tastbereich abhängig.

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Abbildung 147: Hintergrundausblendung

Materialüberwachung an SchneidemaschineReflexlichttaster der Bauform OI, eingesetzt zur Materialüberwachung aneiner automatischen Schneidemaschine. Bei Materialriss erfolgt eineStörmeldung.

Abbildung 148: Materialüberwachung an Schneidemaschine

Optische Sensoren

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Überwachung der Materialzufuhr Steuerung einer automatischen Säge mit einem Reflexlichttaster der Bau-form OU. Er überwacht die Materialzufuhr und steuert die Zuschaltungdes Antriebes.

Abbildung 149: Überwachung der Materialzufuhr

Erkennung von Kontaktfahnen Optische Sensoren mit Fiberoptiken eignen sich aufgrund ihrer optischenEigenschaften zur Erfassung kleinster Teile. Sie erkennen auch qualitäts-bestimmende Details, z. B. Kontaktfahnen bei der Halbleiterproduktion.

Abbildung 150: Erkennung von Kontaktfahnen

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6.2 IR-Sensoren

Beispiele Oben, in 5, wurden die Eigenschaften und Einsatzbedingungen schon be-schrieben. Da es bei diesen Sensoren nicht eine derartige Vielfalt von Ty-pen und Anwendungen gibt, braucht hier keine Zusammenfassung mehrzu erfolgen. Es wird gleich zu den Beispielen übergegangen.

Infrarotsensoren werden überall dort eingesetzt, wo sehr heiße und glü-hende Teile berührungslos sicher erfasst werden müssen. Derartige Ein-satzfälle finden sich vorwiegend in Betrieben der Eisen- und Stahlindus-trie, Glas- und Keramikindustrie, Verbrennungsanlagen etc. Ähnlich wieandere Sensortypen werden die Infrarotsensoren als temperaturabhän-gige Schalter für Steuer- und Positionieraufgaben, als Grenzwertmelderoder Endschalter eingesetzt.Die folgende Liste zeigt eine Übersicht über Einsatzmöglichkeiten von In-frarotsensoren in verschiedenen Branchen.

Hochofenbetriebe  Abstichsteuerung  Auswurfüberwachung

Kokereien  Steuerung von Ablöschgruppen  Verriegelung von Druckmaschinen  Förderbandüberwachung auf glühende Nester  Überwachung von Abgasfackeln

Walzwerke  Brammenerkennung  Rollgangsteuerung  Sägen- und Scherensteuerung  Längenmessung  Reversierschaltungen  Haspelsteuerung  Steuerung von Brammenwäschern

Gießereien  Steuerung an Gießmaschinen

Schmiedebetriebe  Überwachungsaufgaben im Heißbereich  Positionierungen  Werkzeugschutz durch Temperaturüberwachung

Glas- und Keramikindustrie  Überwachungsaufgaben im Heißbereich

Müllverbrennungsanlagen  Brennerüberwachung  Förderbandüberwachung auf glühende Nester

Halbleiterproduktion  Abtasten glühender Wafer

Optische Sensoren

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Weitere Anwendungen Als eine Sonderanwendung sei hier darauf hingewiesen, dass mit Hilfe ei-ner Halogenglühlampe als Sender und einem Infrarotsensor als Empfän-ger Einweglichtschranken für große Entfernungen (ca. 50 m) aufgebautwerden können.

Stranggussanlage IR-Sensoren erfassen heiße Stähle in Stranggussanlagen

Abbildung 151: Stranggussanlage

Überwachung der Länge Bei heißen Stahlrohren wird die Länge mit IR-Sensoren überwacht.

Abbildung 152: Überwachung der Länge

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Brammen Zur Überwachung von Brammen und heißen Walzblechen in der Stahlin-dustrie werden IR-Sensoren eingesetzt.

Abbildung 153: Brammen

Flammen IR-Sensoren überwachen offene Flammen an Brennern und Abgasfak-keln.

Abbildung 154: Flammen

Hinweis Bei der Anwendung sollte beachtet werden:  Manche Gasgemische, z. B. blaue Flammen aus Sauerstoff und Was-

serstoff, haben ungünstige Strahlungseigenschaften.

Optische Sensoren

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Güter aus Induktionsofen Abtastung von heißen Produktionsgütern aus einem Induktionsofen.

Abbildung 155: Güter aus Induktionsofen

Walzdrähte IR-Sensoren mit Fiberoptik überwachen heiße Walzdrähte auf Draht-bruch.

Abbildung 156: Walzdrähte

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Glasflaschen Heiße Glasflaschen werden in der Hohlglasindustrie mit IR-Sensoren ge-zählt.

Abbildung 157: Glasflaschen

Hinweise Bei der Anwendung sollte beachtet werden:  Durch unterschiedliche Flaschengrößen und damit Durchmesser der

Flaschen kann die Taktfrequenz ansteigen.  Die Flaschen müssen einen erkennbaren Abstand zueinander haben.  Die Umgebungstemperatur im Hintergrund sollte wesentlich geringer

sein als die der Objekte.  Der Hintergrund sollte auch frei von störenden Reflexionen anderer

Wärmequellen sein.  Bei hohen Frequenzen oder geringen Abständen sollten die Flaschen

besser am Hals erfasst werden.

Glühlampen (1) Bei der Herstellung von Glühlampen werden die Sockel auf eine Mindest-temperatur von 300 °C überwacht.

Abbildung 158: Glühlampen (1)

Hinweise Bei der Anwendung sollte beachtet werden:  Glasstaub kann mit der Zeit die Optik verschmutzen.

Optische Sensoren

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  Die Umgebungstemperatur im Hintergrund sollte wesentlich geringersein als die der Objekte.

  Der Hintergrund sollte auch frei von störenden Reflexionen andererWärmequellen sein.

Glühlampen (2) Die Temperatur der Glaskolben muss auf die Einhaltung einer Temperaturvon 150 °C überwacht werden, wenn sie bei der Herstellung von Matt-glas mit Pulver bestäubt werden.

Abbildung 159: Glühlampen (2)

Hinweis Bei der Anwendung sollte beachtet werden:  Glasstaub kann mit der Zeit die Optik verschmutzen.

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Konfitüreabfüllung Bei der Abfüllung von Lebensmitteln ist die Temperaturüberwachungwegen der Mindesthaltbarkeitsgarantie wichtig.

Abbildung 160: Konfitüreabfüllung

Hinweise Bei der Anwendung sollte beachtet werden:  Unterschiedliche Zusammensetzungen der Lebensmittel können auf

Grund unterschiedlicher Emissionsgrade zu unterschiedlichen Strah-lungsintensitäten bei gleichen Temperaturen führen. In der Regel ha-ben diese Lebensmittel einen hohen Wasseranteil. Da Wasser einenhohen Emissionsgrad hat, sollte ein Wechsel der Konfitürensorte beider Abfüllung keine wesentlichen Auswirkungen haben. Kritischerkann es bei geringem Wassergehalt werden.

  Die IR-Sensoren sollten bei der Reinigung mit Hochdruckreinigern ge-schützt werden. Es empfiehlt sich daher die Montage in einemSchutzgehäuse.

Diese Applikation ist übertragbar auf die Abfüllung einer Reihe von Le-bensmittel, z. B. Fruchtsäfte usw.

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Lötanlagen Die Position von Platinen innerhalb einer Lötanlage wird durch IR-Senso-ren abgefragt.

Abbildung 161: Lötanlagen

Hinweis Bei der Anwendung sollte beachtet werden:  Die Temperatur kann innerhalb der Haube, die die Lötanlage über-

deckt, höher als 100 °C betragen. In diesem Fall muss der Sensor mitin die Haube eingeblasenem Gas gekühlt werden.

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Beschichtung von Profilschienen Bei der Beschichtung von Profilschienen mit Kunststoff wird die Tempera-tur mit IR-Sensoren überwacht.

Abbildung 162: Beschichtung von Profilschienen

Kantenleimer Beim Umleimen der Kanten von Holz- oder Pressspanplatten in der Mö-belindustrie wird schnell und berührungslos überwacht, ob Leim auf dieKante aufgetragen wurde. Diese Möglichkeit ist hier durch die Verwen-dung von Heißleim gegeben.

Abbildung 163: Kantenleimer

Optische Sensoren

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Anhang

TypenschlüsselTypenschlüssel Optoelektronische Näherungsschalter

Stelle Bezeichnung Inhalt

1 System O = Optoelektronischer Näherungsschalter2 Bauform A = rechteckiges Gehäuse 90 x 70 x 30

B = rechteckiges Gehäuse 60 x 36 x 15C = rechteckiges Gehäuse 50 x 43 x 15E = zylindrisches Gehäuse M8 x 1F = zylindrisches Gehäuse M12 x 1G = zylindrisches Gehäuse M18 x 1I = zylindrisches Gehäuse M30 x 1,5J = rechteckiges Gehäuse 24 x 36 x 11K = rechteckiges Gehäuse 50 x 30 x 18,5L = rechteckiges Gehäuse 62 x 75 x 27P = rechteckiges Gehäuse 140 x 85 x 29R = rechteckiges Gehäuse 25 x 15 x 10S = rechteckiges Gehäuse 80 x 80 x 26T = rechteckiges Gehäuse 75 x 30 x 19U = rechteckiges Gehäuse 51 x 28 x 16V = opto-VerstärkerW = rechteckiges Gehäuse 60 x 36 x 10X = Sonderbauformen

3 Gerätefunktion B = Sendelicht gebündeltC = FarberkennungE = Einweglichtschranke / EmpfängerF = Verstärker für FiberoptikenG = GabellichtschrankeH = Reflexlichttaster mit HintergrundausblendungK = KontrasttasterN = Nahbereich-ReflexlichttasterP = Reflexlichtschranke mit PolfilterR = ReflexlichtschrankeS = Einweglichtschranke / SenderT = ReflexlichttasterV = Reflexlichttaster mit Vordergrundausblendung

4 Zusatzbezeichnung - = StandardG = GlaserkennungL = Laser-SendelichtX = Sonderfunktion

5 Schaltfunktion C = antivalenter AusgangD = Dunkelschaltung (Schließerfunktion bei Einweg- und Reflexlichtschranken; Öffnerfunktion bei Reflexlichttastern)F = Hell-/Dunkelschaltung programmierbarH = Hellschaltung (Öffnerfunktion bei Einweg- und Reflexlichtschranken; Schließerfunktion bei Reflexlichttastern)V = für Anschluß an Verstärker (Stellen 6 - 8 entfallen in diesem Fall)O = Ohne Schaltfunktion (Sender)

6 Ausgangssystem B = Halbleiterausgang bei AC- und AC/DC-GerätenC = Halbleiterausgang PNP und NPNN = Halbleiterausgang NPNP = Halbleiterausgang PNPK = Kontaktausgang (Relais)O = Ohne Ausgangssystem (Sender)

7 Kurzschlußschutz K = mit KurzschlußschutzO = ohne Kurzschlußschutz

8 Anschlußspannung A = Alternativ Gleich- oder Wechselspannung (AC / DC)G = Gleichspannung (DC)W = Wechselspannung (AC)

9 Schrägstrich10 Optionen Bx = Blende (x= Größe; fortlaufend numeriert)

T = ZeitfunktionGK = KunststoffgehäuseGM = MetallgehäuseFO = frontale Optik (Baureihe OJ)SO = seitliche Optik (Baureihe OJ)

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160

Typenschlüssel Fiberoptiken

Stelle Bezeichnung Inhalt

1 System Fiberoptik2 Betriebsart T = Taster

E = EinwegU = universal

3 Reserve4-5 Zugehöriger Verstärker 00 = OKF, OUF

11 = OBF18 = OGF30 = OIF X = Sonstige

6 Reserve

7 Ummantelung A = Alu-WendelschlauchE = Polyäthylen (PE)N = FPM (VITON)M = Metall-SilikonO = Polyamid (PA)P = PVC-UmmantelungS = SilikonV = V2AX = Sonstige

8 Werkstoff Lichtleiter - = GlasP = KunststoffX = Sonstige

9 Material Tastkopf A = AluM = Messing vernickeltV = V2AW = V4AX = Sonstige

10 Reserve11 Tastkopfart M = Metrisches Gewinde

E = Glatte HülseO = Metrisches Gewinde, 90° abgewinkeltR = Glatte Hülse, 90° abgewinkeltQ = QuaderbauformX = Sonderbauform

12 Tastkopfdurchmesser in mmKleinstes Maß bei 11 = Q

13 "/"14 Optionen Fxxx = Faseraufbau (Anzahl der Fasern, Kerndurchmesser)

z. B. F1 x 1; F16 x 0,25FH = Faseranordnung halbkreisförmig mit TrennlinieFK = Faseranordnung koaxialFS = Faseranordnung statistisch gemischtFW = Faseranordnung willkürlichXm = Gesamtlänge in m (bei Abweichen vom Standard)

Optische Sensoren

161

Produktionscode

Stand 08.2001 Druckdatum dieser Ausgabe ist der 23.04.02 Anlage zu EA SIT-015

Erläuterung Produktionscodes

Die Codierung befindet sich auf den Typ- und Packaufklebern unserer Produkte oder eineralternativen Beschriftungsart wie z.B. der ´Laserdirektbeschriftung´, wie sie bei denModultechnikgeräten zur Anwendung kommt.

Die Codierung beinhaltet Informationen über Legende ´Produktionsstätte´

� Produktionsstätte

� Produktionsmonat

� Sonderkennzeichnung(Bedeutung in der Produktionsstätte registriert)

� Fertigungsstand

E ifm ecomatic, KressbronnK ifm prover, Kressbronn (ab 1.3.2000)

P Handelsware / Externe FertigungS ifm syntronT ifm Tettnang (Stammwerk)U ifm USA (efector inc.)W ifm SchwedenF ifm Frankreich

Aktuell gültige Produktionscodes :

Standardcodierung Laser-Direktbeschriftung(konventionelle Geräte) (Modulgeräte)

Beispiel æ SA8 Hergestellt beiifm Syntron imOktober (A) 1998

- keine Sonderkennzeichnung -

Beispiel æ 9903 Hergestellt im Jahr1999, im März (03÷

AA erster Fertigungs-stand (AA÷

T AB im Stammwerkifm Tettnang ;zweiter Fertigungs-stand (AB ÷

- keine Sonderkennzeichnung -

alte Codierung (bis September 1995)

Sonder-kennz.

Produk-tions-stätte(siehe

Legende)

Prod.-Monat(hex.)1...9,A,B,C

Prod.-Jahr(letzteZiffer)

Fertigungs-stand

AA...ZZ

Sonder-kennz.

Produk-tions-stätte(siehe

Legende)

Produktions-Monat

(dezimal)01...12,

Produktions-Jahr

(letzte zweiZiffern)

Fertigungs-stand

AA...ZZ

Sonder-µ»²²¦ò

Prod.-Jahr(letzteZiffer)

Produktions-Monat

(dezimal)01...12,

Schulungsunterlagen

162

Tabelle Emissionsgrad

Die Tabellenangaben sind nur Durchschnittswerte, da der Emissionsgradeines Materials von verschiedenen Faktoren beeinflusst wird. Dazu gehö-ren:  Temperatur  Messwinkel  Geometrie der Oberfläche (eben, gekrümmt)  Dicke  Oberflächenbeschaffenheit (poliert, rau, oxidiert, sandgestrahlt...)

Material E

Asbest 0,95Asphalt 0,95Basalt 0,70Erde 0,90...0,98Farbe (nicht alkalisch) 0,90...0,95Gips 0,80...0,95Glas 0,85...0,94Gummi 0,95Holz (naturbelassen) 0,90...0,95Kalkstein 0,98Karborund 0,90Kies 0,95Kohlenstoff

nicht oxidiertGraphit

0,80...0,900,70...0,80

Kunststoff (transparent, 0,5mm)

0,95

Lacke, Emaille 0,93Papier (jede Farbe) 0,95Porzellan 0,92Referenzstrahler 0,99Sand 0,90Stoff (Tuch) 0,95Ton, gebrannt 0,91...0,95Wasser

SchneeEis

0,930,900,98

Ziegelstein 0,93

Optische Sensoren

163

Material E

Aluminiumnicht oxidiertoxidiert

Aluminiumlegierung A 3003oxidiertaufgerauchtpoliert

0,02...0,100,02...0,40

0,30,10...0,300,02...0,10

Eisenoxidiertnicht oxidiertverrostetverzinktWalzhaut

Eisen gegossenoxidiertnicht oxidiertgeschmolzenGusshaut

0,50...0,900,05...0,200,50...0,70

0,060,77

0,60...0,950,20

0,20...0,300,80

Gold 0,01...0,10Haynes Legierung 0,30...0,80Inconel

oxidiertsandgestrahltelektropoliert

0,70...0,950,30...0,60

0,15Kupfer

poliertaufgerauchtoxidiert

0,030,05...0,100,40...0,80

Magnesium 0,02...0,10Messing

polierthochglanzpoliertoxidiert

0,01...0,050,300,50

Molybdänoxidiertnicht oxidiert

0,20...0,600,10

Monel (Ni-Cu) 0,10...0,14Platin (schwarz) 0,90Quecksilber 0,05...0,15Silber 0,02Stahl

kaltgewalztGrobblechpoliertes Blechoxidiertrostfrei

0,70...0,900,40...0,60

0,100,70...0,900,10...0,80

Titanpoliertoxidiert

0,05...0,200,50...0,60

Wolfram poliert 0,03...0,10Zink

poliertoxidiert

0,100,02

Zinn nicht oxidiert 0,05

Schulungsunterlagen

168

Kleines technisches Lexikon

Absorption Beim Durchgang eines Lichtstrahls durch ein Medium wird die Strahlung(oder ein Teil davon) in eine andere Energieform (z. B. Wärme) umge-wandelt und geht so "verloren�. Dieser Vorgang wird Absorption ge-nannt.

Beleuchtungsstärke Der gesamte Lichtstrom, der auf ein Flächenelement fällt, wird Beleuch-tungsstärke genannt. Die Maßeinheit ist (Lumen durch Quadratmeter)1 Lux = 1 lm / m 2.

Betriebsspannung Die Nennbetriebsspannung ist ein Spannungswert, für den ein elektri-sches Betriebsmittel ausgelegt ist. Bei optischen Näherungsschaltern ist esüblich, einen Betriebsspannungsbereich anzugeben, der einen oberenund unteren Grenzwert festlegt. Innerhalb dieser Grenzwerte ist dieFunktion des Näherungsschalters gewährleistet. Bei Gleichspannungsge-räten ist darauf zu achten, dass die Restwelligkeit der Betriebsspannungin den Grenzwerten mit eingeschlossen sind. Wenn die Restwelligkeit un-ter den Grenzwert der Betriebsspannung sinkt, ist ein Glättungskonden-sator zu verwenden.

Brechungsgesetz Tritt ein Lichtstrahl aus einem optisch dünnen Medium (z. B. Luft) in eindichteres ein (z. B. Glas), so wird er entsprechend dem Brechungsgesetz

( 13) n1 sin 1 = n2 sin 2

mit n1, n2 - Brechzahlen der Medien1, 2 - Einfalls-, Ausfallswinkel

zur optischen Achse hin gebrochen. Die Brechzahlen sind material- undwellenlängenabhängig.

Dunkelschaltung Bei Dunkelschaltung ist der Lichtempfänger unbeleuchtet, der nachge-schaltete Verstärker durchgeschaltet und die Last vom Laststrom durch-flossen (IEC 60947-5-2). Bei Beleuchtung des Lichtempfängers wird derLaststrom unterbrochen. Bei Einweg- oder Reflexlichtschranken entsprichtdie Dunkelschaltung der Schließerfunktion, wie sie von den induktivenund kapazitiven Näherungsschaltern her bekannt ist (Objekt vorhanden,Verstärker durchgeschaltet).Bei Reflexlichttastern entspricht die Dunkel-schaltung der Öffnerfunktion.

Einweglichtschranke Eine Lichtschranke, bei der das Licht des Lichtsenders zu einem räumli-chen und optisch getrennten Lichtempfänger geführt wird, wird Einweg-Lichtschranke genannt. (IEC 60947-5-2)

Emission Mit Emission wird allgemein die Aussendung (Ausstrahlung) von elektro-magnetischen Wellen bzw. kleinsten unteilbaren Teilchen (Korpuskeln)bezeichnet, z.B. Lichtwellen oder Elektronen.

Fremdlichtbeeinflussung Die Funktion von Lichttastern und -schranken kann durch fremde Strah-lungsquellen (im sichtbaren und infraroten Bereich) beeinträchtigt wer-den. (In "fremden" Datenblättern wird gelegentlich die maximal zulässigeBeleuchtungsstärke, bei der die sichere Funktion des Gerätes gewährleis-tet bleibt, als Fremdlichtbeeinflussung bezeichnet und in Lux angegeben.Hierbei bleibt jedoch die mindestens ebenso wichtige Bestrahlungsstärkeim Infrarotbereich unberücksichtigt!)

Optische Sensoren

169

Hellschaltung Bei der Hellschaltung ist der Lichtempfänger beleuchtet, der nachgeschal-tete Verstärker durchgesteuert und die Last vom Laststrom durchflossen(IEC 60947-5-2). Bei Unterbrechung des Lichtweges wird der Laststromunterbrochen. Bei Reflexlichttastern entspricht die Hellschaltung derSchließerfunktion, wie sie von den induktiven und kapazitiven Nähe-rungsschaltern her bekannt ist (Objekt vorhanden, Verstärker durchge-schaltet).Bei Einweg- oder Reflexlichtschranken entspricht die Hellschal-tung der Öffnerfunktion.

Hintergrundausblendung Bei Einsatzfällen, in denen ein kontrastreicher Hintergrund hinter demTastobjekt stört, werden Lichttaster mit Hintergrundausblendung einge-setzt. Hierbei handelt es sich um Lichttaster, die nach dem Winkellichtver-fahren, dem Triangulationsverfahren oder dem geometrischen Prinzip ar-beiten.

Infrarot Strahlung mit einer Wellenlänge, die größer ist als die des sichtbarenLichts wird Infrarotstrahlung (IR), oft auch Ultrarotstrahlung genannt. Eswerden drei Bereiche unterschieden:

IR - A 780 nm bis 1400 nmIR - B 1400 nm bis 3000 nmIR - C 3000 nm bis 25000 nm.

Licht Strahlung in dem für das menschliche Auge sichtbaren Teil des elektro-magnetischen Spektrums wird Licht genannt. Dies ist der Wellenlängen-bereich von 380 nm (violett) bis 780 nm (rot).

Lichtschranke Eine Lichtschranke ist eine Anordnung von einem (oder mehreren) Licht-sendern, der durch Lichtbündel einen (oder mehrere) Lichtempfängerbeleuchtet. Die Änderung der Beleuchtung wird in ein elektrisches Signalumgewandelt. (IEC 60947-5-2).

Lichttaster Ein Lichttaster ist eine Anordnung von einer (oder mehreren) Lichtquellen,die über optische Hilfsmittel eine Tastebene beleuchtet. Das vom Mess-objekt in der Tastebene reflektierte oder transmittierte Licht wird von ei-nem (oder mehreren) Lichtempfängern empfangen. Die Änderung desLichtstroms wird in ein elektrisches Signal umgewandelt. (IEC 60947-5-2).

Lux Lichttechn. Maßeinheit für Beleuchtungsstärke.Hierzu einige Beispiele:

20 bis 40 Lux Straßenbeleuchtung bei Nacht250 bis 500 Lux normale Bürotätigkeitüber 1000 Lux feinste komplizierte Handarbeitca. 2500 Lux direktes Sonnenlicht

Mindestlaststrom Der Mindestlaststrom ist der kleinste Strom, der im durchgeschaltetemZustand fließen muss, um (hier speziell) den opto-efector mit Betriebs-strom zu versorgen.

Reflexion Das Zurückwerfen von Strahlung an der Grenzfläche zweier Medien wirdReflexion genannt.Es gilt das Reflexionsgesetz.

Schulungsunterlagen

170

Reflexionsgesetz Trifft ein Lichtstrahl auf die Grenzfläche zweier Medien, so wird dieStrahlung (ganz oder nur teilweise) entsprechend dem Reflexionsgesetz("Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel")

( 14) 1 = 2 zurückgeworfen.

Reflexfolie Eine Reflexfolie ist ein preiswertes optisches Bauteil, das einfallendeStrahlung in sich selbst zurückwirft (Rückspiegelung) Die Spiegelung er-folgt in kleinen Kugelreflektoren. Strahlung im Bereich um die optischeAchse wird mit brauchbaren Wirkungsgraden zurückgespiegelt.

Reflexions-Lichtschranke Eine Lichtschranke, bei der das Licht des Licht-Sende-Empfängers von ei-nem Reflektor in der optischen Achse zurückgeführt wird, wird Reflexi-ons-Lichtschranke genannt (IEC 60947-5-2).Dabei können die optischenHilfsmittel des Lichtsenders auch zum Empfang des reflektierten Lichtsdienen.

Reflexlichttaster Ein Lichttaster, bei dem sich der Lichtsender und Lichtempfänger auf der-selben Seite der Tastebene befinden, wird Reflexions-Lichttaster oder Re-flexlichttaster genannt. (IEC 60947-5-2).

Reichweite Der mechanisch nutzbare Abstand zwischen Lichtsender und Lichtemp-fänger bzw. Lichtsendeempfänger und Reflektor wird Reichweite ge-nannt. (IEC 60947-5-2)

Reststrom bei 2-Leiter-Geräten Reststrom ist der Strom, der bei 2-Leiter-Geräten im Ruhezustand überdas nicht geschaltete Gerät fließt, um die Stromversorgung der Elektronikzu gewährleisten. Dieser Reststrom fließt auch über die Last.

Retroreflexion Siehe Rückspiegelung.

Rückspiegelung Wird ein Lichtstrahl an einer Grenzfläche parallel zu sich selbst zurückge-worfen, so spricht man von Rückspiegelung. Es gibt optische Bauteile(Tripelspiegel, Reflexfolie), die einfallende Strahlung mit gutem Wir-kungsgrad zurückspiegeln.

Schalttemperatur Die Schalttemperatur ist die Mindesttemperatur, die ein zu erfassenderGegenstand haben muss, damit der Infrasensor schaltet. Dabei muss dieSichtfläche (Sensorzone) des Infrasensors vollständig ausgefüllt sein. Be-zogen wird die Schalttemperatur auf ein Referenzobjekt ("schwarzerStrahler").

Schutzart IP 61Vollständiger Schutz gegen Berühren unter Spannung stehender Teile.Schutz gegen Eindringen von Staub.IP 65Vollständiger Schutz gegen Berühren unter Spannung stehender Teile.Schutz gegen Eindringen von Staub, Schutz gegen Strahlwasser.IP 67Vollständiger Schutz gegen Berühren unter Spannung stehender Teile.Schutz gegen Eindringen von Staub. Schutz beim Eintauchen unter fest-gelegten Bedingungen: 1 m Wassertiefe und 30 Minuten Dauer.

Spannungsfall Der Spannungsfall wird über (hier speziell) dem durchgeschalteten opto-efector bei maximalem Laststrom gemessen.

Strahlung Strahlung ist eine Erscheinungsform von Energie, die sich als elektromag-netische Welle beschreiben lässt, aber auch als eine Anzahl kleinster,nicht weiter teilbarer Korpuskel (Photon, Quant.). Je nach Wellenlängewird sie als Rundfunkwelle, Wärmestrahlung, Licht, Röntgenstrahlung

Optische Sensoren

171

usw. bezeichnet. Die Maßeinheit für Strahlungsenergie ist Ws (Wattse-kunde). Wird nur der sichtbare Teil der Strahlung, also die Lichtmengebetrachtet, ist die Maßeinheit lm s (Lumen mal Sekunde).

Streuung Beim Durchgang eines Lichtstrahls durch ein Medium wird die Strahlungoder ein Teil davon durch Zusammentreffen mit den Molekülen in andereRichtung gelenkt. Dieser Vorgang wird Streuung genannt. Streuung trittauch an Grenzflächen auf, wenn diese im bestrahlten Bereich nicht ebensind.

Stromaufnahme bei 3-Leiter-Geräten Stromaufnahme ist der Eigenstromverbrauch (hier speziell) des opto-efec-tors im gesperrten Zustand.

Strombelastbarkeit/Dauer Darunter versteht man den Strom, mit dem (hier speziell) ein opto-efectorim Dauerbetrieb belastet werden kann.

Strombelastbarkeit/Kurzzeit ist der Höchstwert des Stromes, der für eine bestimmte Zeit im Ein-schaltmoment fließen darf, ohne (hier speziell) den opto-efector zu zer-stören.

Tastweite Der mechanisch nutzbare Abstand zwischen Lichtempfänger und Tast-ebene wird Tastweite genannt (IEC 60947-5-2). Der Begriff Tastweiteentspricht dem Begriff Schaltabstand bei induktiven und kapazitiven Nä-herungsschaltern. Als Referenzobjekt bei Messungen dient die Rückseiteder Kodak Gray Card, Maß: 200 x 200 mm2.

Totalreflexion Beim Austritt aus einem optisch dichteren in ein optisch dünneres Me-dium wird der Lichtstrahl gemäß dem Brechungsgesetz von der optischenAchse weg gebrochen. Bei einem Einfallswinkel 1 > b, wobei b = arcsin (n2/n1) gilt, kann er jedoch nicht mehr austreten, sondern wird verlust-frei total reflektiert. Dieser Grenzwinkel wird auch Brewsterwinkel ge-nannt.

Transmission Der Durchgang von Strahlung durch ein Medium wird Transmission ge-nannt.

Tripelspiegel Der Tripelspiegel (besser: Tripelreflektor) ist ein optisches Bauteil, das ein-fallende Strahlung in sich selbst zurück wirft. (Rückspiegelung) Die Spie-gelung erfolgt durch Mehrfachreflexion und ist daher nahezu verlustfrei.Strahlung im Bereich von etwa ±15° um die optische Achse wird mit gu-tem Wirkungsgrad zurückgespiegelt.

Ultrarot Siehe Infrarot.

Ultraviolett Strahlung mit einer Wellenlänge, die kleiner ist als die des sichtbarenLichts wird Ultraviolettstrahlung (UV) genannt. Es werden drei Bereicheunterschieden:

UV - A 320 nm bis 380 nmUV - B 280 nm bis 320 nmUV - C 100 nm bis 280 nm.

Umgebungstemperatur Die Umgebungstemperatur (hier speziell) des opto-efectors muss inner-halb des im jeweiligen Datenblatt angegebenen Bereiches liegen und darfnicht unter- oder überschritten werden.

172

Schulungsunterlagen

Index

1

13,5 mm ............................................................... 127

4

4 Zustände ...............................................................88

6

6 Impulse .................................................................86

A

Abgasfackeln ........................................................ 150Ablöschgruppen.................................................... 150Absorption ............................................................ 168Abstand .................................................. 36, 135, 140Abstichsteuerung .................................................. 150Abstrahlung .............................................................17aggressive Medien....................................................67aktive Zone ..............................................................47Allstrom ...................................................................91Alterung...................................................................83alterungsbeständig...................................................72Aluminiumprofil .................................................... 114analog............................................................. 85, 108Analysator ................................................................49Anregung.................................................................16Anschluss .................................................................93Anschlussschema .....................................................97Ansprechverzögerungszeit..................................... 107Anwendungen ...................................................... 142Anwendungsbeispiele ........................................... 144Anzeigen............................................................... 102Applikationen........................................................ 143AS-Interface .............................................................89Auffahrsicherung .................................................. 147Auswahl ................................................................ 137Auswurfüberwachung........................................... 150Autokollimation .......................................................52automatisch ................................................ 59, 80, 97

B

Bauform...................................................................34Bedeckungsgrad.................................................... 138Bedienung................................................................97Befestigung von Tripelspiegeln .................................52Befestigungsset ..................................................... 112Befestigungswinkel ............................................... 112Befüllung .............................................................. 145Beleuchtungsstärke ............................................... 168Belichtung................................................................57Berechnungstools.....................................................82berührungslose Temperaturerfassung............ 135, 142Besetzungsinversion .................................................27Betriebsspannung.................................................. 168Beugung ..................................................................14Bewegung................................................................72

Biegeradius.............................................................. 73Biegezyklen ............................................................. 69bildgebend.............................................................. 32binäre Sensoren ...................................................... 32Blende..................................................................... 39Blockschaltbild ........................................................ 83Bohrsches Atommodell............................................ 15Brammen ...................................................... 150, 152Brammenwäscher.................................................. 150Brechung................................................................. 30Brechungsgesetz ................................................... 168Brechungsindex....................................................... 30Brenner ................................................................. 150Brennweite.............................................................. 28Bündelung............................................................... 28

C

Charakteristik .............................................. 35, 47, 55chemische Beanspruchung ...................................... 71Cube ..................................................................... 114

D

Dämpfung......................................................... 31, 68DC .......................................................................... 97Deutung.................................................................. 10Dezentralisierung .................................................. 106digital...................................................................... 85digitale Störaustastung............................................ 86DIN 5031................................................................. 13Diodenzeile ............................................................. 64Dispersion ............................................................... 11Distanzstücke .......................................................... 41Druckmaschinen.................................................... 150Dualität ................................................................... 10dunkelschaltend ...................................................... 73Dunkelschaltung ................................................... 168Durchmesser ......................................................... 136Durchmesser des Lichtflecks .................................... 28dynamisch ......................................... 59, 80, 100, 101

E

einfache Montage ................................................... 53einstellbare Schalttemperatur ................................ 133Einstellung....................................................... 78, 106Einstellung der Empfindlichkeit................................ 97Einstellung der Tastweite....................................... 100Einweglichtschranke.................................. 34, 83, 168elektromagnetische Wellen ..................................... 11Elektromagnetisches Strahlungsspektrum................ 13elektronisch............................................................. 60ELS ............................................................ 35, 93, 143Emission ................................................................ 168Emissionsgrad ......................................... 22, 132, 162Empfänger ........................................................ 36, 94Empfangstransistor.................................................. 13Empfindlichkeit ............................... 20, 41, 58, 63, 78

Optische Sensoren

173

EMV.........................................................................11EN 60825.................................................................26Energie ........................................................11, 16, 26Energieniveaus .........................................................16Entfernung...............................................................33Entlastung..............................................................106externer Verstärker.................................................125

F

Familie ...................................................................122FAQ ...........................................................................8Farbe .................................................................22, 55Farbenlehre..............................................................23Farbfilter ..................................................................23Farbsensor .................................................24, 66, 128Faustregel ..............................................................133fc ............................................................................95Fehler.....................................................................126Feineinstellung .......................................................118Fernzone..................................................................37fest klemmen ...........................................................73feste Schalttemperatur ...........................................133festziehen ................................................................73Feuchtbereich ..........................................................71Fiber.........................................................................31Fiberoptik...........................................................67, 68Fiberoptikverstärker............................................67, 97Fläche ............................................................113, 136Flammen................................................................152Flaschen zählen........................................................53Fokus .......................................................................65Fremdlicht ....................................................21, 40, 64Fremdlichtbeeinflussung.........................................168Fremdlichtstörungen ................................................14Frequenz..................................................................11Frequenzfilter...........................................................85Funktionsanzeige .....................................................87Funktionskontrollausgang ..................................88, 95Funktionskontrolle ...................................................88Funktionsreserve ......................36, 39, 58, 63, 76, 104Funktionsreservefaktor .............................................79Funktionsreservekurve..............................................76

G

GaAlAsP...................................................................19GaAs........................................................................19GaAsP......................................................................19gebündelter Lichtstrahl.............................................65Gefahr .....................................................................11gegenseitige Beeinflussung ......................................38geometrische Optik..................................................14Geräteschutz..................................................112, 120Gerätetypempfehlungen ........................................143gerichtet ..................................................................25Gießmaschinen ......................................................150Glas .........................................................................69Glasfaser ..................................................................71Glasflaschen...........................................................154

Glaslichtleiter ...........................................................71Glasspiegel und Polfilter ...........................................52Gleichstrom .............................................................91glühende Nester.....................................................150Glühlampen ...................................................154, 155granular ...................................................................26gray card..................................................................58Größe des Objekts .................................................135Größe des Tripelspiegels...........................................47grün.................................................................66, 127Grundzustand ..................................................16, 104

H

Halterungen...........................................................112Halterungen für Fiberoptik .......................................69Haltewinkel ....................................................116, 117Haspel....................................................................150Haube......................................................................39Heißbereich............................................................150heiße Stahlplatten ..................................................142heiße Umgebung ...................................................144hellschaltend............................................................73Hellschaltung .........................................................169Hintergrund ...............................................58, 79, 100Hintergrundausblendung .................60, 102, 147, 169hochglänzende Folien ..............................................50Hochpass .................................................................85hohe Temperaturen ...........................................67, 71Hohe Umgebungstemperaturen.............................141Hysterese .................................................................55

I

IEC 60825................................................................26Impuls-Pause-Verhältnis ...........................................83Induktionsofen.......................................................153Informationen ............................................................2infrarot.............................................................12, 169Infrarotlicht ..............................................................13Infrarotsensor.................................. 21, 131, 134, 136Intensität..................................................................11Interferenz .........................................................10, 26IR-Licht.....................................................................12

J

Justageeinheit ........................................................112Justierhilfe........................................................47, 104Justierung ................................................................36

K

Kabeldose ................................................................94Kabellänge.............................................................125Kanten ...................................................................145Kantenleimer .........................................................158Keramikindustrie ....................................................150Klassen.....................................................................26kleine Objekte..............................................28, 65, 67Klemmenraum .........................................................93Klemmzylinder ...............................................112, 117

174

Schulungsunterlagen

knicken ....................................................................73Kodak gray card .......................................................58kohärent ............................................... 17, 18, 25, 26kompakt ..................................................................67Konfitüreabfüllung ................................................ 156konfokal...................................................................52Kontaktfahnen ...................................................... 149Kontrast ...................................................................23Kontrasttaster ................................................. 66, 127Kunststoff ................................................................69Kunststoffaser ..........................................................71Kunststofflichtleiter ........................................... 31, 72Kunststofflichtleiter ablängen...................................72Kupplung .................................................................69Kurbel ................................................................... 116

L

Lack ...................................................................... 141Länge.............................................................. 33, 151Längenmessung .............................................. 32, 150Laser ................................................... 24, 26, 37, 112Laser und Tripelspiegel .............................................50Laserdiode................................................... 20, 26, 34Lasergerät ............................................................. 104Lasergeräte ..............................................................45Laserschutzklasse .....................................................26Lasersensoren........................................................ 118Laststrom .................................................................92Lawine .....................................................................25Lebensdauer.............................................................83LED ................................................................. 19, 105Lexikon ................................................................. 168Licht ................................................................ 10, 169Lichtfleck......................................................... 36, 127Lichtgeschwindigkeit ................................................11Lichtschranke .................................................. 32, 169Lichttaster ............................................................. 169Lidschlussreflex.........................................................26Lötanlagen ............................................................ 157Lux ........................................................................ 169

M

manuell ....................................................................59Markierungen ..........................................................65Materialüberwachung ........................................... 148Materialzufuhr ...................................................... 149mechanisch ..............................................................60mechanische Beanspruchung ...................................71Merkmale der Einweglichtschranke ..........................42Merkmale der Reflexlichtschranke ..................... 47, 53Merkmale des Reflexlichttasters................................64Metallsilicon .............................................................71Metallwendelschlauch ..............................................71Mikroprozessor ........................................................60Mindestlaststrom................................................... 169Mittelstellung ...........................................................79monochrom .......................................... 18, 19, 20, 25Montage ................................................. 36, 105, 112

Müllverbrennungsanlagen ..................................... 150

N

Nahbereichstaster.................................................... 60Nahzone.................................................................. 37negativer Temperaturunterschied .......................... 140Neigung ................................................................ 127Netzgerät ................................................................ 92Nut........................................................................ 114

O

OA ................................................................ 105, 110OAH...................................................................... 111OB......................................................................... 108Oberflächenbeschaffenheit...................................... 55Objekt ..................................................................... 79OC ........................................................................ 127OCK........................................................................ 66OCPG...................................................................... 53OCV........................................................................ 65ODC........................................................................ 66OE......................................................................... 125Öffner/Schließer ...................................................... 74Öffnungswinkel............................... 35, 135, 136, 139OG.......................................................... 97, 112, 117OKF......................................................................... 68OL ................................................................. 112, 119optimale Einstellung .................................... 58, 59, 78optimaler Schaltpunkt ............................................. 80optisch .................................................................... 61optoelektronisch ..................................................... 32OR......................................................................... 125OS......................................................................... 106OV 310 ......................................................... 107, 127OWI ...................................................................... 139

P

Parallelmontage ...................................................... 38passive Sensoren ................................................... 131Polarisation.............................................................. 12Polarisationsfilter ..................................................... 48Polarisator ............................................................... 48Polfilter............................... 52 Siehe PolarisationsfilterPositionierungen ................................................... 150Potentiometer ............................................. 59, 60, 78präzise Ausrichtung............................................... 112Profilschienen........................................................ 158Prozessor............................................................... 108PSD ................................................................... 61, 63Pumpen................................................................... 27PVC......................................................................... 71

Q

Qualität eines Tripelspiegels..................................... 51Quanten.................................................................. 16quetschen ............................................................... 73

Optische Sensoren

175

R

Raumwinkel ...........................................................112RC-Kombination ......................................................92Receiver ...................................................................35reflektierende Objekte........................................39, 48Reflexfolie ..................................................45, 50, 170Reflexion..........................................................22, 169Reflexion vom Boden ...............................................41Reflexionsfähigkeit ...................................................55Reflexionsgesetz.....................................................170Reflexlichtschranke.............................................43, 84Reflexlichttaster..........................................54, 85, 170Reichweite ................ 34, 47, 51, 53, 63, 65, 136, 170Reihenfolge............................................................101Relaisausgang ..........................................................96Resonator ................................................................25Restspannung ..........................................................92Reststrom.........................................................92, 170Retroreflexion ........................................................170Reversierschaltungen..............................................150RGB .........................................................................23RLS...................................................................43, 143RLT...................................................................54, 143Rollgang ................................................................150rotes Licht ..........................................................15, 68Rubinlaser ................................................................27Rückfallverzögerungszeiten....................................107Rückspiegelung......................................................170Rundprofil ..............................................................113

S

S und E ....................................................................35Sägen ....................................................................150Schaltfrequenz ...................................................87, 90Schalttemperatur ...................................................170Scheren..................................................................150Schutz gegen Störungen ..........................................83Schutzart ...............................................................170Schutzklasse.............................................................26Schutztubus ...........................................................142schwarz ...................................................................23Schwarzer Strahler .....................................21, 22, 132Sender .....................................................................36Sensortyp...............................................................143Sensorzone ............................................................137sicher .......................................................................67Sicherheit.................................................................50Sichtfenster ............................................................137Sonnenstrahlung......................................................19Spannungsabfall ....................................................170spektrale Verteilung .................................................18Spektralkurven .........................................................20Spektrum ...........................................................12, 18Spiegel .....................................................................25spiegelnde Objekte ..................................................48spontane Emission ...................................................17statisch ............................................................98, 100Staub .......................................................................15

stimulierter Strahlung...............................................25Störaustastung.........................................................84Störeinflüsse ............................................................13Störfestigkeit............................................................33Störreflexe................................................................88Störung....................................................................14Störung des RLT .......................................................58Strahlung ...............................................................170Strahlungsspektrum .................................................18Stranggussanlage...................................................151Streuung................................................................171Stromaufnahme ...............................................92, 171Strombelastbarkeit .................................................171Stromversorgung .....................................................92System ...................................................................112

T

T und R ....................................................................35Taktfrequenz............................................................83Taktgenerator ..........................................................83Tasten ......................................................................60Taster als Reflexlichtschranke ...................................66Tastkopf.............................................................68, 69Tastweite ...................................... 56, 60, 63, 65, 171Teachen ...................................................................97technisches Lexikon................................................168Teilchen ...................................................................10teiltranparent ...........................................................98Temperaturbereich...................................................52Temperatursensoren ..............................................131Temperaturunterschied ..........................................140Test..........................................................................93Testeingang .................................................89, 93, 94Testfunktion.............................................................93Torschaltung ............................................................85Totalreflexion ...................................................31, 171Totbereich..........................................................51, 61Transmitter...............................................................35Transportanlage .....................................................146transversal................................................................11Triangulationsverfahren............................................62Tripelspiegel .............................................43, 120, 171Tripelspiegel für Laser...............................................50TS80 ........................................................................47Typenschlüssel .......................................................159typisch .....................................................................46typische Kurve..........................................................46

Ü

Überschlagsrechnung.............................................136UC ...........................................................................96Ultrarot ..................................................................171ultraviolett................................................................12Ultraviolett .............................................................171Umgebungstemperatur ..................................140, 171Ummantelung..........................................................67ungerichtet ........................................................18, 25universell................................................................113

176

Schulungsunterlagen

UV-Licht ...................................................................12

V

verdrehen.................................................................73Verriegelung ......................................................... 104Verschleiß ................................................................83Verschmutzung ................................................. 14, 88Verstärker ....................................................... 68, 125vielseitig ...................................................................67Vorausfall .................................................................88Vordergrundausblendung ........................................65

W

Wafer.................................................................... 150Walzdrähte ........................................................... 153Wärmestrahlung ........................................... 131, 132

Wechselstrom ......................................................... 91Wechslerkontakt ..................................................... 96weiß........................................................................ 23Welle....................................................................... 10Wellenlänge ........................................ 11, 12, 13, 132Wellenllänge ........................................................... 14Werkzeugschutz.................................................... 150Widerstand.............................................................. 92Winkellichtverfahren ............................................... 62Würfel................................................................... 114

Z

Zeitfunktion........................................... 106, 109, 110Zoom ...................................................................... 28Zugbelastung .......................................................... 73