Einführung

Sensoren sind ein wesentlicher Bestandteil eines jeden Automatisierungssystems, um die Anwesenheit von Objekten zu erkennen. Bei den fotoelektrischen Sensoren gibt es drei Arten von Sensoren: Einweglichtschranken, Reflexionslichtschranken und Reflexionslichttaster. Es gibt eine verbesserte Version von Reflexionslichttastern, die so genannten Hintergrundausblendungssensoren". In diesem Artikel befassen wir uns mit Sensoren zur Hintergrundausblendung und ihrer Funktionsweise.

Was ist ein Sensor zur Hintergrundausblendung?

Bevor wir über die Hintergrundausblendung sprechen, sollten wir unser Wissen über fotoelektrische Sensoren im Allgemeinen auffrischen. Photoelektrische Sensoren verwenden optische Signale, um die Anwesenheit eines Objekts zu erkennen. Es gibt drei Haupttypen von Lichtschranken: Einweg-Lichtschranken, Reflexions-Lichtschranken und Reflexions-Lichttaster.

Photoelektrische Sensorarten

Einweglichtschranken sind die einfachste Form der Lichtschranke. Sie verfügen über eine separate Sende- und Empfangseinheit, die sich gegenüberliegen. Wenn ein Objekt den Laser-/Lichtstrahl behindert, löst das Fehlen des Lichtstrahls den Empfänger aus. Anhand dieses Signals lässt sich feststellen, ob das Objekt vorhanden ist oder nicht.

Bei Reflexionslichtschranken sind Sender und Empfänger in ein und demselben Gerät untergebracht. Ein spezieller Reflektor wird quer zum Lichtstrahl platziert, der den ausgesandten Strahl in einer bestimmten Weise zurück zum Sender reflektiert. Wenn ein Objekt quer zum Strahl platziert wird, wird der reflektierte Strahl gestreut und die Menge des reflektierten Lichts ändert sich. Auf diese Weise kann der Sensor aufgrund der Lichtbrechung des Objekts selbst transparente Objekte erkennen. Retroreflektierende Sensoren sind auf die Unterbrechung des Strahls angewiesen, um das Objekt zu erkennen.

Reflexionslichttaster sind die dritte Art von Lichtschranken. Sie sind darauf angewiesen, dass das Objekt selbst den Lichtstrahl zurück zum Sensor reflektiert. Aus diesem Grund benötigen Reflexionslichttaster keinen Reflektor.

Standardmäßige Reflexionslichttaster verwenden die Menge des reflektierten Lichts, um ein Objekt zu erkennen.

Problem mit Reflexion im diffusen Modus

In vielen Fällen bieten Reflexionslichttaster im Reflexionsmodus eine Kalibrierungsoption, bei der der Erfassungsabstand/-bereich eingestellt werden kann. Da der Sensor jedoch auf das Objekt angewiesen ist, um den Strahl zu reflektieren, kann jedes glänzende Objekt, das sich quer zum Strahl befindet, den Strahl ebenfalls reflektieren. Dies führt zu Fehlauslösungen und kann zu erheblichen Problemen führen.

So kann beispielsweise ein standardmäßiger Reflexionssensor, der so eingestellt ist, dass er ein reflektierendes Objekt in einem Umkreis von 15 Zoll erkennt, fälschlicherweise ein anderes Objekt erkennen, das ebenfalls stark reflektierend ist und bis zu 6 Fuß entfernt sein kann.

Sensor zur Hintergrundunterdrückung

Sensoren mit Hintergrundausblendung helfen, das oben beschriebene Problem zu entschärfen. Es handelt sich um eine Variante des Reflexionslichttasters, die das "Triangulationsprinzip" nutzt. Im Gegensatz zu einem normalen Reflexionslichttaster, der die Menge des reflektierten Lichts misst, messen Hintergrundausblendungssensoren, in welchem Winkel das reflektierte Licht auf den Sensor fällt.

Arbeitsprinzip des Sensors zur Hintergrundunterdrückung

Hintergrundausblendungssensoren sind ähnlich wie Reflexionslichttaster. Bei ihnen sind sowohl der Sender als auch der Empfänger in dasselbe Gehäuse eingebettet und sie verlassen sich darauf, dass das zu erfassende Objekt den Strahl zurückreflektiert.

Wenn sich ein Objekt vor einem Sensor zur Hintergrundausblendung befindet, wird der Strahl in einem bestimmten Winkel zurückgeworfen. Dieser Winkel ändert sich je nach dem Abstand zwischen Sensor und Objekt. Wenn das Objekt näher ist, ist der Winkel größer als wenn es weit entfernt ist.

Einstellbare Sensoren gibt es in zwei Ausführungen: mechanisch oder elektrisch. Beim mechanischen Typ kann der Sensor mit einer Schraube kalibriert werden, um den Messpunkt für die Erfassung des Objekts einzustellen. Bei elektronisch kalibrierten Modellen verfügt der Sensor über eine Taste zum "Lernen" des Objekttyps und des Hintergrunds.

Wie unterdrücken die Sensoren zur Hintergrundausblendung den Hintergrund?

Sensoren mit Hintergrundausblendung verfügen über einen ausgeklügelten Mechanismus zur Messung der relativen Position des Objekts in Bezug auf den Hintergrund. Dies macht diesen Sensortyp sehr immun gegen Hintergründe, die ähnliche Reflexionseigenschaften haben wie das zu erkennende Objekt.

Im Gegensatz zu Sensoren mit festem Fokus oder scharfer Abtrennung, die den Hintergrund überhaupt nicht berücksichtigen, können Sensoren mit Hintergrundausblendung das Objekt tatsächlich von einem ähnlich strukturierten, farbigen Hintergrund unterscheiden.

Bei einem Sensor mit Hintergrundausblendung gibt es einen einzelnen Sender und mehrere Empfänger, die für das ausgestrahlte Licht empfindlich sind. Bei der elektronischen Hintergrundausblendung kann es sich auch um mehrere Bereiche desselben Sensors handeln.

Wenn sich kein Objekt vor dem Sensor befindet, gibt es zwei Möglichkeiten.

1. Der emittierte Strahl wird vom Hintergrund reflektiert
2. Der ausgestrahlte Strahl wird nicht vom Hintergrund reflektiert

Wenn der Strahl nicht vom Hintergrund reflektiert wird, geht der Sensor davon aus, dass der Abstand zum Objekt unendlich ist, und aktiviert seinen Ausgang nicht. Wenn der Hintergrund reflektiert, fällt der reflektierte Strahl auf einen bestimmten Bereich des Empfängers (auf den oberen Bereich des Sensors in der obigen Abbildung). 

Der Sensor ist so kalibriert/abgestimmt, dass dieser Bereich des Sensorelements nicht berücksichtigt wird. Wenn ein Objekt vor dem Sensor platziert wird, ändert sich der Winkel des reflektierten Strahls. Dies führt dazu, dass der Strahl auf einen anderen Teil des Sensors (oder bei einigen Modellen auf ein anderes Sensorelement) fällt, den der Sensor als Erkennung erkennen kann. 

In der obigen Abbildung ist zu erkennen, dass die dem Sensor am nächsten liegende Position den größten Winkel im reflektierten Strahl verursacht. Der Winkel wird kleiner, je weiter sich das Objekt vom Sensor entfernt.

Mechanische Hintergrundausblendung vs. elektronische Hintergrundausblendung 

Um Kosten und Leistung zu optimieren, gibt es zwei Arten von Sensoren zur Hintergrundausblendung - mechanische und elektronische Typen. Der elektronische Typ verfügt über einen einzigen, großen Sensor, bei dem die Software den Bereich der Objekterkennung festlegt und bestimmt. Dies geschieht durch einen speziellen Sensor, das so genannte Position Sensitive Device (PSD). Die Software-Verarbeitung des Signals ermöglicht eine zusätzliche Filterung des Signals, um Artefakte durch starke Vibrationen zu reduzieren. Dies ist einer der Vorteile der elektronischen BGS-Sensoren.

Bei mechanischen Typen gibt es zwei oder mehr Sensorelemente, die eine höhere Genauigkeit, eine bessere optische Leistung und einen schärferen Grenzwertbereich mit Temperaturstabilität bieten. Außerdem gibt es ein optisches System, das eine Feinabstimmung ermöglicht, was die Größe der Sensoreinheit erhöht.

Schlussfolgerung

In diesem Artikel haben wir über Sensoren zur Hintergrundausblendung gesprochen. Diese Sensoren sind sehr nützlich bei der Erkennung von reflektierendem Material, das sich in ähnlich gefärbten/strukturierten Hintergründen befindet. Pepperl+Fuchs ist einer der branchenführenden Hersteller von Reflexionslichttastern mit Hintergrundausblendung.