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Miniatursensoren Optische Miniatursensoren mit hoher Fremdlichtsicherheit

| Autor / Redakteur: Markus Imbach* / Jan Vollmuth

Neue Miniatursensoren zeigen sich unempfindlichen gegen Fremdlicht und erkennen Objekte mit ultraschwarzen und glänzenden Oberflächen sowie transparente Objekte – bei gleichbleibend hoher Messgeschwindigkeit.

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Die Reflexions-Lichttaster O200 von Baumer mit Hintergrundausblendung erzielen Reichweiten bis 120 mm auch bei extremem Fremdlicht.
Die Reflexions-Lichttaster O200 von Baumer mit Hintergrundausblendung erzielen Reichweiten bis 120 mm auch bei extremem Fremdlicht.
(Bild: Baumer Electric)

Sie sind vielseitig, bieten hohe Reichweite und einen sichtbaren und fokussierten Lichtstrahl: Damit eignen sich optische Miniatursensoren ideal für den Einsatz in der modernen Fertigung. Allerdings stehen sie in modernen Produktionsumgebungen vor einigen Herausforderungen, die zuverlässig meistern müssen – bei den heutigen hocheffizienten Produktionsprozessen können schließlich selbst kurze Verzögerungen hohe Kosten verursachen.

Störungen des Schaltsignals durch LED-Licht: starke Schwankungen über den gesamten Frequenzbereich von 0 bis 200 kHz, Instabilität bei gewissen Frequenzen, langsam fallende Kanten (v.l.n.r.). Unten: Stabilität über alle Frequenzen.
Störungen des Schaltsignals durch LED-Licht: starke Schwankungen über den gesamten Frequenzbereich von 0 bis 200 kHz, Instabilität bei gewissen Frequenzen, langsam fallende Kanten (v.l.n.r.). Unten: Stabilität über alle Frequenzen.
(Bild: Baumer Electric)

Die erste Herausforderung besteht in der zunehmenden Verbreitung von hocheffizienten und leuchtstarken LED-Leuchten, etwa als Deckenbeleuchtung oder im Belichtungssystem von Kameras. LED-Leuchten bieten eine hohe Energieeinsparung von bis ca. 90% sowie eine deutlich längeren Lebensdauer als konventionelle Leuchtmittel wie Glühlampen oder Leuchtstofflampen. LED-Leuchtmittel werden jedoch typischerweise mit sehr viel höheren Frequenzen im Bereich von 50 kHz bis 150 kHz moduliert und weisen je nach Vorschaltgerät unterschiedliche Eigenschaften (Ripple, Mittenfrequenz, Frequenzänderung, Signalform) auf. Das macht LED-Leuchtmittel zu einer potentiellen Störquelle für Lichtschranken und Lichttaster. Diese senden Lichtpulse im Mikrosekundenbereich mit Repetitionsraten von 10 kHz bis 30 kHz aus. Bei einer Unterabtastung des Störsignals durch den Sensor kann es somit zu niederfrequenten Störsignalen kommen und es werden Fehlschaltungen verursacht, da diese Störsignale nicht innerhalb der Messzykluszeit kompensiert werden können.

Störquellen werden ausgefiltert

Neben der Beleuchtung führen auch andere Sensoren oder indirekte Reflexionen etwa durch glänzende Maschinenteile zu Störeinflüssen. Diese verlangsamen die Messzyklen bei vielen optoelektronischen Sensoren. Enge Platzverhältnisse erhöhen die Wahrscheinlichkeit für Störungen zusätzlich, da dort die Sensoren in kurzen Abständen zueinander verbaut werden.

Eine weitere Herausforderung liegt im Erkennen „schwieriger“ Objekte. Das sind für optoelektronische Sensoren etwa solche mit einer tiefschwarzen oder glänzenden Oberfläche aber auch transparente Objekte. Die physikalischen Eigenschaften wie Remission, Absorption und Transmission dieser Objekte bereiten Sensoren beim Umwandeln der Lichtstrahlen in elektrische Signale Schwierigkeiten, da zu wenig Licht für eine zuverlässige Signalauswertung zurück zum Sensor kommt.

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.

Sicheres Erkennen in jeder Lichtsituation

Der Sensor O200 bewährt sich bei direkten Reflektionen auf glatten Oberflächen ebenso wie bei diffusen Reflektion auf rauen Oberflächen, bei Transmission auf transparenten Objekten sowie Absorption der Lichtstrahlen bei schwarzen Oberflächen.
Der Sensor O200 bewährt sich bei direkten Reflektionen auf glatten Oberflächen ebenso wie bei diffusen Reflektion auf rauen Oberflächen, bei Transmission auf transparenten Objekten sowie Absorption der Lichtstrahlen bei schwarzen Oberflächen.
(Bild: Baumer Electric)

Mit den optischen Miniatursensoren der Baureihe O200 bietet Baumer eine Produktfamilie, die den genannten Herausforderungen souverän begegnet, so das Unternehmen. Diese Sensoren besitzen einen Fremdlicht-Algorithmus, der höchste Detektionssicherheit unabhängig von der jeweiligen Lichtsituation sicherstellen soll. Das geht so: Zu Beginn eines jeden Messzyklus erkennen die Sensoren Störlichtquellen durch schnell getaktete Hell-Dunkel-Messungen; der Fremdlicht-Algorithmus identifiziert damit eventuelle Störquellen und wählt das optimale Frequenzspektrum aus. Dank einer kontinuierlichen Bewertung des Spektrums passt sich der Sensor automatisch an Änderungen in der Umgebungsbeleuchtung an. Zusammen mit einer präzisen Optik und leistungsfähigen Elektronik garantiert dies eine gleichbleibend hohe Messgeschwindigkeit mit einer kurzen Ansprechzeit von 0,5 ms, erklärt Baumer.

Sensoren in zahlreichen Varianten

Die O200-Reihe umfasst zahlreiche Varianten, nachfolgend nur einige Beispiele:

  • Die Reflexion-Lichtschranken mit Hintergrundausblendung erreichen eine Reichweite von 120 mm auf ultraschwarze Objekte wie z.B. Handygehäuse. Für zusätzliche Reichweite kann per IO-Link der O200 High-Power-Modus aktiviert werden.
  • O200-Sensoren mit V-Optik verfügen über einen fokussierten Lichtstrahl mit 0,2 mm Durchmesser. So können glänzende oder transparente Objekte wie beispielsweise Ampullen in der Laborautomation problemlos im Nahbereich erfasst werden.
  • Für extrem kompakte Maschinendesigns wie sie z.B. in sehr teuren Reinraumumgebungen notwendig sind, stellen die O200 „Smart-Reflect“-Lichtschranken eine Lösung dar. Sie bieten die Zuverlässigkeit einer Lichtschranke aber ohne die Nachteile eines Reflektors – bei einer Reichweite bis 180 mm.
  • Für größere Reichweiten bietet das Portfolio Reflexions-Lichtschranken bis vier Meter und Einweg-Lichtschranken mit bis zu sechs Meter Reichweite.

IO-Link erlaubt automatisierte Parametrierung

Der O200 erkennt ultraschwarz-glänzender Objekte im Bereich Semicon & Electronics.
Der O200 erkennt ultraschwarz-glänzender Objekte im Bereich Semicon & Electronics.
(Bild: Baumer Electric)

Alle O200-Sensoren besitzen eine IO-Link-Schnittstelle, die neben der automatisierten Parametrierung durch bidirektionale Kommunikation zusätzliche Optionen eröffnet. So können die Sensoren Metainformationen wie Betriebsstunden, Einschaltzyklen oder Informationen zur Betriebs- und Prozessoptimierung senden – beste Voraussetzungen für Predictive Maintenance.

Markus Imbach ist Senior Product Manager, Sensor Solutions, Baumer Electric AG
Markus Imbach ist Senior Product Manager, Sensor Solutions, Baumer Electric AG
(Bild: Baumer Electric)

Für die Einstellung direkt am Sensor bieten die O200 zwei Optionen: Die Sensoren können über einen Leitungs-Teach oder über das verschleissfreie „qTeach“-Verfahren von Baumer ohne mechanische Veränderung der Optik auf die jeweilige Applikation eingestellt werden. Varianten mit fixen Tastweiten müssen nicht eingelernt werden und sind sofort einsatzbereit. Für Konstrukteure bieten die O200-Sensoren ein besonderes Highlight: als erste optoelektronische Sensoren bieten sie 3D-CAD-Daten mit integriertem Strahlverlauf. Das spart kostbare Zeit, die bisher aufgewendet werden musste, um den Strahlverlauf mühsam aus Datenblättern nachzuzeichnen.

* Markus Imbach ist Senior Product Manager, Sensor Solutions, Baumer Electric AG

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