Photoelektrische Sensoren sind berührungslose Sensoren, die sichtbares oder infrarotes Licht verwenden, um Objekte zu erkennen. Sie senden Lichtstrahlen aus und beobachten den Strahl auf Unterbrechungen oder Veränderungen, um das Vorhandensein von Fremdkörpern im Lichtweg zu erkennen.  

Dieser Artikel soll Ihnen ein umfassendes Verständnis der verschiedenen Arten von photoelektrischen Sensoren und ihrer Funktionsweise vermitteln. 

Was ist ein photoelektrischer Sensor?

Ein fotoelektrischer Sensor ist ein optischer Sensor, der aus einer Lichtquelle, einem Lichtempfänger und einem Schaltkreis zur Signalverarbeitung und Steuerung des Ausgangs besteht. Sie können die Anwesenheit von Objekten und manchmal auch die Oberflächenbeschaffenheit erkennen.

Wenn das ausgestrahlte Licht durch ein Objekt in unmittelbarer Nähe unterbrochen wird, erkennt der Lichtempfänger diese Veränderung und schaltet den Ausgang des Sensors ein oder aus. Einige Näherungssensoren sind sogar in der Lage, auch die Entfernung zum Objekt zu bestimmen.

Funktionsprinzip von photoelektrischen Sensoren

Die Funktionsweise photoelektrischer Sensoren beruht auf den primären Eigenschaften des Lichts: Intensität, Ausbreitungsrichtung, Frequenz und Polarisation. Sie können eines oder mehrere dieser Konzepte verwenden, um die Entfernung zu Objekten zu erkennen und zu messen.

Eigenschaften des Lichts

Geradlinige Ausbreitung

Licht ist ein elektromagnetische Welle. Eine der physikalischen Eigenschaften von elektromagnetischen Wellen ist die geradlinige Ausbreitung. Sie beschreibt die Tendenz des Lichts, sich in einer geraden Linie auszubreiten. Bei der Ausbreitung durch ein homogenes Medium (Material, das an jedem Punkt die gleichen Eigenschaften hat) wie Luft, werden Lichtwellen nicht gekrümmt und breiten sich daher in geraden Linien aus.

Sensoren wie zum Beispiel Einweg-Lichtschranken nutzen diese Eigenschaft des Lichts, um Objekte zu erkennen, die den Lichtstrahl kreuzen und ihn blockieren.

Brechung

Eine weitere Eigenschaft des Lichts ist, dass es seine Richtung ändert (abgelenkt wird), wenn es eine Grenzfläche zwischen zwei Medien passiert. Wenn das Licht zum Beispiel durch die Luft geht und ins Wasser eintritt, wird der gerade Strahl abgelenkt. Dies ist auf die Änderung der Brechungsindex in den beiden Medien. Die folgende Abbildung zeigt, wie sich das Licht bricht, wenn es durch ein Luft-Glas-Luft-Medium geht.

Reflexion

Reflexion ist eine Eigenschaft des Lichts, die das Phänomen beschreibt, dass ein Lichtstrahl auf ein Objekt oder eine Oberfläche wie ein Glas oder einen Spiegel trifft und den Strahl zurück zur Quelle lenkt. Bei der Reflexion ist der Einfallswinkel gleich dem Reflexionswinkel, so dass der Lichtstrahl nach der Reflexion genau denselben Weg in die entgegengesetzte Richtung nimmt.

Die Retroreflexion ist eine verbesserte Version der Reflexion, bei der ein "Eckwürfel" verwendet wird. Eckwürfel bestehen aus drei flachen Spiegeln, die senkrecht zueinander stehen. Diese Reflexion wird auch als "Retroreflexion" bezeichnet

Während reflektierende Oberflächen das auf sie gerichtete Licht fast vollständig zurückwerfen, können einige Materialien wie weißes Papier Licht in alle Richtungen reflektieren. Dies wird als "Streuung" oder "Diffusion" bezeichnet.

Polarisierung

Wie wir bereits erwähnt haben, ist Licht eine elektromagnetische Welle. Elektromagnetische Wellen können auch als oszillierende Wellen gesehen werden, sowohl horizontal als auch vertikal. Die meisten photoelektrischen Sensoren verwenden heutzutage LEDs als Lichtquellen. Das von LEDs ausgestrahlte Licht hat sowohl eine horizontale als auch eine vertikale Komponente, die als "unpolarisiertes" Licht bezeichnet wird.

Mit speziellen Filtern, den so genannten "Polarisationsfiltern", kann eine dieser Komponenten herausgefiltert werden, so dass das Lichtbündel nur noch entweder die horizontale oder die vertikale Schwingungskomponente aufweist. Der Lichtstrahl wird dann "polarisiert".

Die Polarisierung wird im Allgemeinen verwendet, um externe Störungen zu verhindern, da der Sensor nicht auf jeden beliebigen Lichtstrahl reagiert, sondern nur auf den speziell gefilterten Strahl.

Lichtquellen

Optische/photoelektrische Sensoren sind mit zwei Arten von Lichtquellen ausgestattet: pulsmoduliertes Licht und nicht-moduliertes Licht. 

Modulierte Lichtquellen

Bei dieser auch als pulsmoduliertes Licht bezeichneten Methode wird ein kontinuierlich pulsierender Lichtstrahl verwendet, um Objekte zu erkennen. Das ausgestrahlte Licht (LED) wird in einem festen Zeitintervall wiederholt ein- und ausgeschaltet. Diese Methode ist sehr nützlich für Sensoren, bei denen externe Lichtinterferenzen ein Problem darstellen können. Da der Sensor nur auf die spezifische Frequenz des ausgestrahlten Lichts reagiert, können externe Lichtquellen den Sensor nicht stören und ihn versehentlich auslösen.

Sensoren mit modulierten Lichtquellen haben auch eine größere Reichweite als Sensoren mit nicht modulierten Lichtquellen.

Nicht modulierte Lichtquelle

Das einfachste nicht modulierte Licht ist ein kontinuierlich einfallender Strahl mit einer bestimmten Lichtintensität. Sie sind schneller als modulierte Lichtsensoren, sind aber anfällig für externe Störungen.

Triangulation

Bei abstandseinstellbaren Sensoren können wir die Verschiebung eines Objekts mit einer Methode namens "Triangulation" erkennen. Diese Sensoren haben ein spezielles Sensorelement, das erkennen kann, wo genau der Lichtstrahl auf den Sensor fällt. Wenn sich das Objekt beispielsweise an der in der Abbildung unten gezeigten Position A befindet, fällt der Lichtstrahl an der Position "a" auf den Positionssensor. Wenn das Objekt weiter in Richtung Punkt B bewegt wird, wird der Lichtstrahl auch auf den Punkt "b" auf dem Sensor konzentriert.

Klassifizierung von photoelektrischen Sensoren

Wir können photoelektrische Sensoren nach drei Hauptkriterien klassifizieren: Erfassungsmethode, Auswahlpunkte nach Erfassungsmethode und Konfiguration.

Klassifizierung nach Erfassungsmethode

• Einweglichtschranken-Sensoren
  • Bei Einweglichtschranken gibt es zwei Geräte: den Sender und den Empfänger. Sie werden gegenüberliegend installiert. Der Sender sendet einen Lichtstrahl aus, der auf den Sensor auf der anderen Seite fällt. Wenn ein Objekt in die Sichtlinie des Sensors eintritt, unterbricht es den Strahl, und der Sensor interpretiert das Fehlen von Licht als Erkennung eines Objekts.

• • Einweglichtschranken können einen Erfassungsbereich von einigen Zentimetern bis zu einigen zehn Metern haben. Sie können fast jedes undurchsichtige Material erkennen, unabhängig von Form, Farbe und Glanz.

• Reflexions-Lichttaster
  • Bei Reflexionslichttastern ist die gesamte erforderliche Hardware in einem einzigen Gehäuse untergebracht. Im Normalbetrieb sendet der Sender Licht aus, das nie zum Sensor zurückkehrt. Befindet sich ein Objekt im Strahl, reflektiert es einen Teil des Lichts zurück zum Sensor. Der Sensor überwacht die reflektierte Lichtmenge, und wenn sie einen bestimmten Wert übersteigt, wird der Ausgang ausgelöst.

• • Reflexionslichttaster sind einfacher zu montieren, da es nur ein einziges Gerät gibt und nur wenig Kalibrierung/Justierung erforderlich ist. Sie können Objekte von mehreren Zentimetern bis zu mehreren Metern erfassen.
  • Die Farbe und die Beschaffenheit der erkannten Objekte können die Leistung und Stabilität von Reflexionslichttastern beeinflussen.

• Reflexions-Lichtschranken
  • Retroreflexionssensoren sind ebenfalls Einzelgerätesensoren, die sowohl Licht aussenden als auch reflektiertes Licht erkennen. Ein spezieller Reflektor, "Retroreflektor" genannt, reflektiert das ausgesendete Licht.
  • Wenn ein Objekt den Lichtstrahl unterbricht, wird die Intensität des reflektierten Strahls geringer, und der Sensor kann diese Änderung erkennen und den Ausgang ein- oder ausschalten.
  • 
  • Retroreflektierende Sensoren haben ebenfalls einen Erfassungsbereich von einigen Zentimetern bis zu mehreren Metern. Sie können sowohl transparente als auch undurchsichtige Materialien erkennen. Mit speziellen Zusätzen wie Polarisationsfiltern können sie sogar spiegelnde Oberflächen erkennen.
  • Reflexionslichtschranken haben im Nahbereich eine Totzone, was bei einigen Anwendungen ein Nachteil sein kann.
• Abstand einstellbare Sensoren
  • Entfernungseinstellbare Lichtschranken können die relative Bewegung eines erfassten Objekts erkennen. Sie verfügen über einen Positionssensor, der erkennen kann, wo auf dem Sensor sich das empfangene Licht konzentriert. Einige Sensoren haben eine zweiteilige Fotodiode, von denen eine erkennt, wenn sich das Objekt in der Nähe des Sensors befindet, und die andere erkennt, wenn das Objekt weit davon entfernt ist, indem sie die Differenz der von den beiden Fotodioden gelieferten Lichtintensitäten berechnet.

• • Der Betrieb des abstandseinstellbaren Sensors wird durch den Hintergrund oder die Objektbedingungen wie Farbe oder Oberflächenbeschaffenheit nicht wesentlich beeinträchtigt.

• Begrenzt-reflektierende Sensoren
  • Begrenzt reflektierende Sensoren ähneln den abstandseinstellbaren Sensoren, ihre Reichweite ist jedoch optisch stärker eingeschränkt. Sie können nur Objekte in einer bestimmten Entfernung erkennen (Bereich, in dem sich ausgesendetes Licht und Empfangsweg überschneiden).

• • Begrenzt reflektierende Sensoren können kleine Höhenveränderungen von Objekten erkennen und eignen sich daher für Qualitätskontrollanwendungen. Ähnlich wie beim abstandseinstellbaren Typ wird der Sensorbetrieb durch den Hintergrund oder die Objektbedingungen wie Farbe oder Oberflächenbeschaffenheit nicht wesentlich beeinflusst.

Auswahlpunkte nach Erfassungsmethode

Bei der Auswahl eines photoelektrischen Sensors für eine bestimmte Anwendung müssen wir mehrere Punkte berücksichtigen.

Bei der Auswahl einer Einweglichtschranke und retroreflektierend Sensoren die folgenden Punkte beachten:

Sensorisches Objekt

• Größe und Form (Länge x Breite x Höhe)
• Transparenz (undurchsichtig, halbtransparent oder transparent)

Sensor

• Erfassungsbereich
• Größen- und Formbeschränkungen (Sensor und eventuelle Reflektoren)
• Notwendigkeit der Aneinanderreihung
  • Anzahl der Einheiten
  • Montageabstand
  • Notwendigkeit eines versetzten Einbaus
• Einschränkungen bei der Montage
  • Winkel
  • Freigabe 

Umwelt

• Umgebungstemperatur, Luftfeuchtigkeit
• Vorhandensein von Spritzwasser, Chemikalien und Öl

Wenn die Anwendung eine Reflexionslichtschranke, einstellbarer Abstandssensor oder ein in begrenztem Abstand einstellbarer Sensorprüfen Sie auf die Merkmale von;

Sensorisches Objekt

• Größe und Form (Länge x Breite x Höhe)
• Farbe
• Material (Stahl, Holz, Papier, SUS usw.)
• Oberflächenbeschaffenheit (glasig, strukturiert usw.)
• Fahrgeschwindigkeit

Sensor

• Erfassungsbereich
• Größen- und Formbeschränkungen (Sensor und eventuelle Reflektoren)
• Notwendigkeit der Aneinanderreihung
  • Anzahl der Einheiten
  • Montageabstand
  • Notwendigkeit eines versetzten Einbaus
• Einschränkungen bei der Montage
  • Winkel
  • Freigabe 

Umwelt

• Umgebungstemperatur, Luftfeuchtigkeit
• Vorhandensein von Spritzwasser, Chemikalien und Öl

Klassifizierung nach Konfiguration

Photoelektrische Sensoren können auch nach ihrer physikalischen Konfiguration kategorisiert werden. Sie bestehen aus vier Hauptteilen: Sender, Empfänger, Verstärker und Steuergerät.

Sensoren mit separaten Verstärkern

Sensoren wie Einweglichtschranken haben ihren Verstärkerschaltkreis oft als separate Einheit. Bei Einweglichtschranken sind Sender und Empfänger ebenfalls in verschiedenen Gehäusen untergebracht. Reflexionslichtschranken haben einen integrierten Sender und Empfänger sowie eine separate Verstärkereinheit.

Diese Anordnung kann nützlich sein, wenn die Sensoren auf engem Raum montiert werden müssen und nicht leicht zugänglich sind, um ihre Empfindlichkeit einzustellen. Da der Verstärker jedoch entfernt von den Sensoren montiert ist, ist das Signal auch anfällig für elektrisches Rauschen.

Eingebaute Verstärker Sensoren

Dieser Typ besteht aus allen vier Hauptkomponenten des Sensors, einschließlich der Verstärkereinheit. Bei den meisten Einweglichtschranken mit integriertem Verstärker sind der Empfänger, der Verstärker und das Steuergerät in den Empfänger eingebaut, und der Sender bleibt als separate Einheit. Sie benötigen nur zum Einschalten eine externe Stromversorgung.

Sensoren mit eingebautem Verstärker benötigen verhältnismäßig weniger Verdrahtung als solche ohne Verstärker. Die Wahrscheinlichkeit, dass sie durch elektrisches Rauschen beeinträchtigt werden, ist also sehr gering, da keine Signaldrähte beteiligt sind.

Sensoren mit eingebauten Netzteilen

Diese Art von photoelektrischen Sensoren kann direkt eine Hochleistungslast wie Motoren oder Glühbirnen antreiben. Sie haben einen eigenen Stromversorgungsschaltkreis eingebaut und können direkt an handelsübliche Stromversorgungen angeschlossen werden. (keine separaten Netzteile erforderlich).

Allerdings sind sie auch wesentlich größer, da sie neben dem Sender, dem Empfänger, dem Verstärker und dem Steuerschaltkreis auch die gesamte Leistungselektronik und den Stromversorgungsschaltkreis enthalten müssen.

Bereichssensoren

Flächensensoren sind eine modifizierte Version von Einweglichtschranken, die Objekte mit mehreren Strahlen erfassen können. Sie sind nützlich bei der Erfassung von Objekten, die unterschiedliche Orientierungshöhen haben können, wie z. B. Kleinteile.

Merkmale des photoelektrischen Sensors

Die nützlichste Eigenschaft von photoelektrischen Sensoren ist, dass sie jedes Objekt berührungslos erfassen können. Im Gegensatz zu Sensoren wie Endschaltern erkennen sie das Vorhandensein eines Objekts mit Hilfe von Licht. Außerdem gibt es keine Einschränkungen hinsichtlich der zu erfassenden Objekte; der richtige fotoelektrische Sensor erfasst jedes Objekt innerhalb seiner Erfassungsgrenzen.

Photoelektrische Sensoren sind auch extrem schnell und haben eine sehr hohe Auflösung für Präzisionsanwendungen. Im Vergleich zu magnetischen und Ultraschallsensoren haben sie auch den größten Erfassungsbereich, der über 10 Meter reicht.

Auch das Ausrichten, Kalibrieren und Justieren von Lichtschranken ist sehr einfach, da der Lichtstrahl mit bloßem Auge sichtbar ist (nur bei Modellen, die sichtbares Licht aussenden).

Einstellung der Empfindlichkeit des photoelektrischen Sensors

Die Einstellung der Empfindlichkeit von photoelektrischen Sensoren ist sehr einfach. Einige Sensoren verfügen über eine spezielle Taste, die "Teach-in" genannt wird, andere sind mit einem Potentiometer ausgestattet, das mit einem Schraubenzieher gedreht werden kann. Ein typischer photoelektrischer Sensor hat zwei Anzeige-LEDs, eine grüne für die Stromversorgung und eine orangefarbene für den aktuellen Ausgangsstatus.

Um die Empfindlichkeit des Potentiometertyps einzustellen, drehen Sie das Potentiometer vollständig gegen den Uhrzeigersinn, wenn kein Objekt vorhanden ist. Platzieren Sie dann das Objekt vor dem Sensor und drehen Sie das Potentiometer im Uhrzeigersinn, bis die orangefarbene LED aufleuchtet. 

Wo werden photoelektrische Sensoren eingesetzt?

Photoelektrische Sensoren werden in vielen Anwendungen zur berührungslosen Objekterkennung eingesetzt. Sie umfassen,

• Prüfen und Zählen von Objekten, die auf einem Förderband laufen
• Erkennen von Farben
• Entfernungen messen
• Messung der Verschiebung
• Näherungserkennung (An-/Abwesenheit eines Objekts)

Was ist der Unterschied zwischen Näherungssensoren und photoelektrischen Sensoren?

Näherungssensoren verwenden in der Regel elektromagnetische oder kapazitive Felder, um die Anwesenheit von Objekten zu erkennen. Photoelektrische Sensoren verwenden Lichtstrahlen, um Objekte zu erkennen. Es gibt Näherungssensoren, die Lichtstrahlen zur Erkennung verwenden.

Photoelektrische Sensoren sind im Vergleich zu Näherungssensoren extrem schnell, da sie Lichtstrahlen verwenden, um Objekte zu erkennen. Das liegt daran, dass sich Licht mit sehr hoher Geschwindigkeit fortbewegt. Näherungssensoren können bis zu einigen Millisekunden brauchen, um ein Objekt richtig zu erkennen.

Näherungssensoren sind relativ kostengünstiger als ihre fotoelektrischen Gegenstücke. Dies ist auf die relativ einfache Konstruktion der Näherungssensoren zurückzuführen. Allerdings sind Näherungssensoren im Allgemeinen größer als Lichtschranken.

Photoelektrische Sensoren sind komplexer als Näherungssensoren, haben aber auch eine sehr hohe Auflösung und Genauigkeit. Photoelektrische Sensoren sind auch einfacher zu justieren als Näherungssensoren, die manchmal zusätzliches Kalibrierungsmaterial benötigen.

Welches sind die vier Hauptbestandteile der Lichtschranke?

Ein photoelektrischer Sensor besteht aus vier Hauptstufen:

Lichtquelle

Dies ist der Bereich, der für die Lichtemission zuständig ist. Heutige photoelektrische Sensoren basieren auf LED (Light Emitting Diodes), die entweder infrarotes (IR) oder sichtbares Licht in den Farben Rot, Grün oder Blau aussenden können. Die meisten Sensoren verwenden die impulsmodulierte Methode, um kontinuierliche Impulse zu senden, um externe Störungen durch ähnliche Lichtquellen zu reduzieren.

Licht-Empfänger

Der Empfängerkreis empfängt das von der Lichtquelle reflektierte/emittierte Licht und wandelt es in ein elektrisches Signal um.

Hauptstromkreis

Der Hauptschaltkreis übernimmt alle anspruchsvollen Funktionen wie die Impulsmodulation für den Sender und die Signalaufbereitung für den Empfänger. Außerdem verfügt er über einen Synchrondetektor und eine Verstärkerstufe zur Erkennung des Vorhandenseins/Fehlens oder einer Änderung des empfangenen Signals.

Ausgangskreis

Die Ausgangsschaltung steuert das endgültige Ausgangssignal. Es gibt alle Arten von Ausgangsschaltungen, einschließlich NPN/PNP-Ausgängen und Relaisausgängen. Einige Sensoren können analoge Signale ausgeben und einige können sogar eine beträchtliche Last direkt ansteuern, anstatt nur ein Signal zu liefern.

Wie richtet man einen photoelektrischen Sensor ein?

Photoelektrische Sensoren sind in verschiedenen Ausgangsarten erhältlich, darunter Transistorausgänge wie PNP oder NPN und Relaisausgänge. Die Abbildung unten zeigt die Verdrahtung der Emittereinheit für eine Einweglichtschranke. Wenn Sie den rosa Draht mit 0 V versorgen, wird der Emitter eingeschaltet.

Der Empfänger der unten gezeigten Einweglichtschranke hat Ausgänge vom Typ NPN. Der schwarze Ausgang liegt auf Hochspannung (12V oder 24V, je nach Versorgung). Wenn ein Objekt erkannt wird, wird er mit 0 V verbunden, wodurch der Strom durch die angeschlossene Last fließt. Für den Anschluss von NPN-Sensoren muss eine SPS über eine PNP-Eingangskarte verfügen.

Schlussfolgerung

In diesem Artikel haben wir die allgemeine Funktionsweise fotoelektrischer Sensoren, die Technologie, die hinter ihrer Funktionsweise steht, und die Arten von Sensoren, die in der Industrie erhältlich sind, besprochen. Photoelektrische Sensoren sind hochgenaue und präzise Sensoren, die in Hochpräzisionsmaschinen und allgemeinen Anwendungen zur Erkennung von Objekten eingesetzt werden.