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Optische Sensoren

Neue optische Sensortechnologie verbessert das Erkennen transparenter Materialien

| Autor/ Redakteur: Christian Fiebach* / Jan Vollmuth

Eine neue optische Sensortechnologie ist auf transparente Gegenstände und Materialien spezialisiert – und will so Probleme lösen, wo andere nicht mehr weiterkommen.

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Im Gegensatz zu optischen Sensoren oder auch Ultraschallsensoren, stellen transparente Folien den OR270478 vor keine großen Herausforderungen.
Im Gegensatz zu optischen Sensoren oder auch Ultraschallsensoren, stellen transparente Folien den OR270478 vor keine großen Herausforderungen.
(Bild: IPF Electronic)

Von der dickwandigen Glasflasche bis zur hauchdünnen Plastikfolie: Das zuverlässige Erkennen transparenter Objekte und Materialien stellt Sensortechnologien von besondere Herausforderungen. Für diese Aufgabe sind meist Reflex-Lichtschranken oder Ultraschallsensoren erste Wahl. Obwohl sich beide Technologien hinreichend bewährt haben, stellen sie Anwender dennoch bei der Detektion spezifischer Objekte in der Praxis immer wieder vor besondere Herausforderungen. Eine neue optische Sensortechnologie könnte indes dafür sorgen, dass die Herausforderungen von heute zu Problemen von gestern werden.

Ultraschallsensoren sind ideal für schnell laufende Prozesse

Insbesondere in schnelllaufenden Prozessen, wie beispielsweise bei der Detektion von Flaschen in der Getränkeindustrie, stoßen Ultraschallschranken (hier eine Ultraschallgabel) aufgrund ihrer Schaltfrequenz von 150 Hz auch an gewisse Grenzen.
Insbesondere in schnelllaufenden Prozessen, wie beispielsweise bei der Detektion von Flaschen in der Getränkeindustrie, stoßen Ultraschallschranken (hier eine Ultraschallgabel) aufgrund ihrer Schaltfrequenz von 150 Hz auch an gewisse Grenzen.
(Bild: IPF Electronic)

Ultraschallschranken sind Einweg-Schrankensysteme, bestehend aus einem Sender und Empfänger. Unterbricht ein transparentes Objekt den Schallweg zwischen Sender und Empfänger, wechselt der Schaltausgang im Empfänger sein Signal. Da Ultraschallsensoren typischerweise über eine Schaltfrequenz von 150 Hz verfügen eignen sich solche Geräte für Anwendungen mit relativ schnell laufenden Prozessen. Ein geradezu klassisches Beispiel ist die Erfassung von transparenten Flaschen aus Glas oder PET in der Getränkeindustrie. Sollten sich die zu detektierenden Objekte jedoch mit extrem hoher Geschwindigkeit durch den Erfassungsbereich des Sensors bewegen, setzt die im Grunde für Ultraschallschranken schon hohe Schaltfrequenz aber immer auch gewisse Grenzen.

Funktionsweise einer Ultraschallschranke: Der Schaltausgang des Empfängers (2) wechselt sein Signal, sobald sich zwischen ihm und dem Sender (1) ein Objekt befindet, das den Schallweg unterbricht.
Funktionsweise einer Ultraschallschranke: Der Schaltausgang des Empfängers (2) wechselt sein Signal, sobald sich zwischen ihm und dem Sender (1) ein Objekt befindet, das den Schallweg unterbricht.
(Bild: IPF Electronic)

Außerdem kann bei der Erkennung von sehr dünnen Materialien, die über eine gewisse Eigenschwingung verfügen (z. B. transparente Folien), mit Ultraschallschranken ein ganz spezielles Problem auftreten. Ist eine transparente Folie zwischen Sender und Empfänger nicht ausreichend gespannt, besteht die Möglichkeit, dass der Schallimpuls des Senders über die Luftmoleküle auch die zu erfassende Folie in Schwingung versetzt. In diesem Fall wird der Signalverlauf zwischen Sender und Empfänger nicht unterbrochen, wodurch der Empfänger nicht schaltet.

Einbaulage vermeidet Probleme mit Schmutz und Feuchtigkeit

Im Hinblick auf potenzielle Verschmutzungen sind Ultraschallschranken im Vergleich zu konventionellen optischen Sensoren unempfindlicher, insbesondere wenn sie zur Erfassung transparenter Objekte genutzt werden. Bei der Montage von Sender und Empfänger ist es aber dennoch ratsam, Einbausituationen zu vermeiden, die zu größeren Schmutzablagerungen aber beispielsweise auch Wassertropfen auf der Sensorfläche bzw. dem Schallwandler führen können.

Konventionelle optische Sensoren, wie z. B. sogenannte Reflex-Lichtschranken, werden in der Regel nach dem sogenannten 2-Punkt-Verfahren geteacht. Das Einlernen der Sensoren erfolgt hierbei zunächst ohne Objekt zwischen Reflektor und Gerät und anschließend mit einem zu detektierenden Objekt in der Lichtschranke. Die aus diesem Prozedere resultierenden Grenzwerte verwendet der Sensor zur automatischen Ermittlung einer Schaltschwelle.

Herausforderung optische Durchlässigkeit

Erschwert wird der Einsatz von mit Rot- bzw. Infrarotlicht arbeitenden optischen Sensoren allerdings durch die optische Durchlässigkeit von transparenten Objekten für Licht bzw. Strahlung im sichtbaren bzw. Infrarotbereich, dem sogenannten Transmissionsgrad. So lässt etwa Glas sichtbares Licht sehr gut passieren und verfügt somit über einen hohen Transmissionsgrad. Auch Rot- und Infrarotlicht durchdringt transparente Objekte, in Abhängigkeit vom Transmissionsgrad des Materials mitunter fast vollständig.

Bei sogenannten Reflexions-Systemen benötigen optische Sensoren einen Reflektor, da sich Sender und Empfänger in einem Gehäuse befinden. Ausgewertet wird hierbei die Lichtunterbrechung durch ein Objekt.
Bei sogenannten Reflexions-Systemen benötigen optische Sensoren einen Reflektor, da sich Sender und Empfänger in einem Gehäuse befinden. Ausgewertet wird hierbei die Lichtunterbrechung durch ein Objekt.
(Bild: IPF Electronic)

Dies führt dazu, dass ein transparenter Gegenstand nahezu keine optische Bedämpfung einer solchen Reflexlichtschranke erzeugt. Entsprechend niedrig ist in diesem Fall seine Schaltschwelle, dessen Ansprechempfindlichkeit sich somit sehr nahe in dem Bereich bewegt, in der sich kein Objekt innerhalb der Lichtschranke befinden würde.

Zur Detektion transparenter Objekte werden daher zumeist Geräte mit einer sehr hohen Empfindlichkeit bevorzugt, die selbst auf eine minimale Bedämpfung des optischen Systems reagieren. Eine Eigenschaft, die im Hinblick auf die Erkennung transparenter Gegenstände zunächst Vorteile verspricht. Allerdings sind solche Lösungen immer auch sehr empfindlich gegenüber Schmutzablagerungen auf den Optiken, wie bereits weiter oben im Zusammenhang mit Ultraschallsensoren angedeutet.

Selbst geringste Verschmutzung stört

Je nach Höhe der ermittelten Schaltschwelle kann es daher sein, dass ein optischer Sensor schon bei geringster Verschmutzung von Sender oder Reflektor bedämpft wird und daher selbst dann schaltet, wenn kein transparentes Objekt im Erfassungsbereich der Lichtschranke ist. Um einen Eindruck von geringster Verschmutzung zu geben: Hierbei kann es sich zum Beispiel um einen für das bloße Auge kaum erkennbaren Staubfilm auf der Geräteoptik oder dem Reflektor handeln.

Es dürfte demnach einleuchten, dass der Betrieb hochempfindlicher optischer Sensoren für die hier beschriebene Anwendung in der Praxis unter Umständen mit einigem Aufwand verbunden ist. Konkret bedeutet das: Entweder die Sensoroptik oder der Reflektor werden regelmäßig kontrolliert oder aber eine Reinigung der entsprechenden Komponenten steht immer dann an, wenn Verschmutzungen offenkundig Fehlfunktionen des Systems verursachen.

Neuer Sensor nutzt extrem kurzwelliges UV-Licht

Der neue OR270478 von IPF Electronic wird vom Hersteller als kompakt, robust, schnell, zuverlässig und intelligent beschrieben.
Der neue OR270478 von IPF Electronic wird vom Hersteller als kompakt, robust, schnell, zuverlässig und intelligent beschrieben.
(Bild: IPF Electronic)

Wie sich zeigt, ist die zuverlässige Erkennung von transparenten Gegenständen sowie Materialien sowohl für optische Sensoren als auch Ultraschallsensoren mit vielschichtigen Herausforderungen verbunden. Herausforderungen, die im Grunde für eine neue, auf die Detektion von durchsichtigen Objekten spezialisierte Sensorgeneration erst gar nicht entstehen. So hat IPF Electronic seit kurzem eine Reflexlichtschranke im Programm, die mit extrem kurzwelligem UV-Licht der Gruppe 2 arbeitet. Während die Rot- bzw. Infrarotlichtquellen von konventionellen optischen Sensoren auf Wellenlängen von zirka 700 nm bzw. 880 nm kommen, verfügt das UV-Licht der Neuheit über eine Wellenlänge von nur 275 nm. Physikalisch bedingt, kann dieses kurzwellige Licht selbst durchsichtige Objekte oder Materialien nicht durchdringen.

BUCHTIPPDas Buch „Industriesensorik“ beschreibt die Entwicklung und die praktische Anwendung der wichtigsten Sensoren. Durch anwendungsbezogene Fehleranalysen von Messsystemen, Sensoren und Sensorsystemen, jeweils ergänzt durch viele detaillierte, vollständig durchgerechnete Anwendungsbeispiele, eignet sich das Buch nicht nur für Studenten, sondern auch für Ingenieure und Techniker verschiedener Fachrichtungen.

Da der schon beschriebene Transmissionsgrad transparenter Objekte für sichtbares Licht für die OR270478, so die Gerätebezeichnung, im Grunde keine Rolle spielt, erfordert sie für die Erkennung durchsichtiger Materialien im Gegensatz zu bisherigen Optosensoren keine hohe Empfindlichkeit, um eine eindeutige Schaltschwelle ermitteln zu können. Befindet sich demzufolge ein transparenter Gegenstand zwischen Sensor und Reflektor, ist der Signalhub im Vergleich zur freien Lichtschranke sehr hoch. Entsprechend unempfindlich reagiert der OR270478 auch auf Verschmutzungen, was ihn für Anwendungen selbst unter anspruchsvolleren Umgebungsbedingungen prädestiniert.

Schnell dank sehr hoher Schaltfrequenz

Die extrem hohe Durchlässigkeit für sichtbare bzw. Infrarotstrahlung von Glas spielt für die Neuheit aufgrund des extrem kurzwelligen UV-Lichts keine Rolle, da es das extrem transparente Material nicht durchdringen kann.
Die extrem hohe Durchlässigkeit für sichtbare bzw. Infrarotstrahlung von Glas spielt für die Neuheit aufgrund des extrem kurzwelligen UV-Lichts keine Rolle, da es das extrem transparente Material nicht durchdringen kann.
(Bild: IPF Electronic)

Ebenfalls punkten kann das neuartige System im Vergleich zu Ultraschallsensoren, da sich z. B. die anfänglich dargestellte Problematik bei der Detektion sehr dünner, transparenter Folien im Zusammenhang mit der Eigenschwingung des Materials für den OR270478 erst gar nicht ergibt. Darüber hinaus überzeugt das Gerät durch eine sehr hohe Schaltfrequenz von ≤ 1kHz und ist damit im Vergleich zu Ultraschallsensoren um nahezu den Faktor 10 schneller.

Wie konventionelle Reflex-Lichtschranken besteht das neue System aus einem Sensor und einem Reflektor. Allerdings verfügt dieser Reflektor anders als die bislang bekannten Lösungen über eine Schutzabdeckung, deren Oberfläche aus einer speziellen, für das UV-Licht des OR270478 durchlässigen Beschichtung besteht. Herkömmliche Reflektoren mit einer frontseitigen Abdeckung, die nur sichtbares Licht durchlässt, würden demnach mit dem neuen Sensor nicht funktionieren.

Einlernen nach dem 2-Punkt-Verfahren

Aufgrund seiner hohen Schaltfrequenz ≤ 1kHz bietet sich der neue Sensor für schnelllaufende Prozesse an, wie zum Beispiel beim Erfassen transparenter PET-Flaschen in der Getränkeindustrie.
Aufgrund seiner hohen Schaltfrequenz ≤ 1kHz bietet sich der neue Sensor für schnelllaufende Prozesse an, wie zum Beispiel beim Erfassen transparenter PET-Flaschen in der Getränkeindustrie.
(Bild: IPF Electronic)

Das Einteachen des OR270478 erfolgt wie gewohnt nach dem 2-Punkt-Verfahren. Allerdings muss hierbei berücksichtigt werden, dass das kurzwellige UV-Licht des Sensors für das menschliche Auge nicht zu sehen ist. Das Einlernen nach dem 2-Punkt-Verfahren erzielt die besten Ergebnisse und empfiehlt sich immer dann, wenn besonders schwer zu detektierende Materialien erkannt werden sollen (z. B. transparente Folien) oder aber Schmutz oder Wasser die Erfassung eines Objektes erschweren könnten. Sind indes dickere durchsichtige Materialien zu erfassen wie Flaschen oder Behälter aus Glas oder Kunststoff, so reicht zumeist die einmalige Betätigung der Teachtaste am OR270478 ohne Objekt im Detektionsbereich aus (1-Punkt-Verfahren), um das System schnell und einfach einzulernen.

Christian Fiebach ist Geschäftsführer von IPF Electronic
Christian Fiebach ist Geschäftsführer von IPF Electronic
(Bild: IPF Electronic)

Das neue Sensorsystem von IPF Electronic stellt im Hinblick auf bisherige Verfahren zur Erkennung transparenter Objekte eine echte Alternative dar. So ermöglicht es nicht zuletzt aufgrund der kompakten Bauform eine einfache Integration in alle erdenklichen Applikationen, z. B. auch durch einen Austausch bisheriger Lösungen, und lässt sich wie gewohnt bedienen. Entscheidend ist, dass der OR270478 überall dort als Problemlöser in Frage kommt, wo konventionelle optische Sensoren oder Ultraschallsensoren hinsichtlich der Erkennung transparenter Objekte bislang schnell an ihre Grenzen stießen. (jv)

* Christian Fiebach ist Geschäftsführer von IPF Eectronic

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