Sensorik Sensorlösungen für stark reflektierende Objektoberflächen

Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. Christian Fiebach* / Jan Vollmuth

Glänzende, extrem reflektierende oder gar spiegelnde Objekte aus unterschiedlichen Materialien bereiten bei der Sensorabfrage immer wieder Probleme. Die vermeintlich naheliegenden Lösungen müssen nicht immer die Besten sein, wie dieser Beitrag zeigt.

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Anstelle von Optosensoren bieten sich u.a. Ultraschallsensoren (hier als Taster) zur Abfrage von Objekten mit schwierigen Oberflächen an. Die Geräte arbeiten nach dem Echo-Laufzeit-Verfahren, bei der die Zeit gemessen wird, die ein Schallimpuls zu einer Objektoberfläche und zurück benötigt.
Anstelle von Optosensoren bieten sich u.a. Ultraschallsensoren (hier als Taster) zur Abfrage von Objekten mit schwierigen Oberflächen an. Die Geräte arbeiten nach dem Echo-Laufzeit-Verfahren, bei der die Zeit gemessen wird, die ein Schallimpuls zu einer Objektoberfläche und zurück benötigt.
(Bild: ipf electronic gmbh)

Optische Sensoren sind oftmals erste Wahl, wenn es um die Detektion von Objekten in verschiedensten Applikationen geht. Vor allem hohe Reichweiten und die leichte Justierung aufgrund des in der Regel gut sichtbaren Lichtflecks sprechen für solche Lösungen. Wegen ihrer einfachen Montage werden insbesondere Taster bevorzugt.

Doch je höher der Glanzgrad eines Objektes, sei es zum Beispiel aus Metall, Glas oder Kunststoff, desto mehr Komplikationen sind zu erwarten. Dabei muss nicht immer das Material ursächlich sein, unterschätzt wird u.a. auch der Einfluss von benetzten Bauteiloberflächen etwa durch Öle, Fette, Kühl- oder Schmiermittel, da solche Medien den Oberflächenglanzgrad entscheidend erhöhen und die Detektion mit Optosensoren problematisch machen können.

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Diesen Komplikationen kann mit verschiedenen Maßnahmen begegnet werden, so dass optische Sensoren auch bei glänzenden Objekten beste Ergebnisse liefern. Im folgenden werden einige dieser Maßnahmen beschrieben.

Toleranzen für mögliche Fehllagen ausschöpfen

Bei der Installation von optischen Tastern muss die Winkellage des Senders zur Objektoberfläche genau eingehalten werden, da laut Reflexionsgesetz der Ausfallswinkel (z.B. eines Lichtstrahls) seinem Einfallswinkel entspricht und beide mit dem Lot in einer Ebene (der Einfallsebene) liegen. Ein eher ungünstiger Einfallswinkel führt indes dazu, dass das vom Objekt reflektierte Licht entweder zu schwach ist oder den Sensorempfänger gar nicht erreicht. Aber selbst bei exakter Winkellage eines Senders zum Objekt besteht immer noch die Gefahr einer Übersteuerung, wenn eine glänzende Oberfläche zu viel Licht reflektiert.

  • Daher ist es empfehlenswert, sich für einen Taster mit einem größeren Messfleck zu entscheiden. Obwohl hierdurch die Sendeleistung pro Flächenelement des Lichtes sinkt, sind die Abfrage-Toleranzen bei möglichen Bauteilfehllagen ungleich höher als man sie z.B. von laserbasierten Systemen mit stark fokussiertem Lichtfleck kennt.
  • Grundsätzlich sollte man die Hinweise in den betreffenden Gerätebedienungsanleitungen berücksichtigen, da diese oftmals Informationen zur Ausrichtung der Geräte in Bezug auf stark reflektierende Materialoberflächen enthalten.

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Oberflächen mit besonderen Herausforderungen

Vor allem Bauteile mit runden, gewölbten oder unebenen Oberflächen erschweren in diesem Zusammenhang die Detektion mit Tastern. Ein zuverlässiges und damit auswertbares Signal wird z.B. bei der Abfrage rotationssymetrischer Teile erst dann erzeugt, wenn das punktförmige Sendelicht möglichst exakt auf den Scheitelpunkt der abgerundeten Oberfläche trifft. Immer vorausgesetzt, die Längsachse des Bauteils verkippt sich während der Abfrage nicht gravierend.

Eine echte Alternative zur Abfrage von Objekten mit runden, gewölbten oder unebenen Oberflächen stellen optische Taster mit linienförmigem Lichtstrahl dar.

Eine echte Alternative zur Abfrage derartiger Objekte stellen optische Taster mit linienförmigem Lichtstrahl dar, anstelle von Lösungen mit punktförmigem Lichtfleck, denn ein linienförmiger Strahl deckt einen größeren Detektionsbereich einer runden oder gewölbten Bauteiloberfläche ab. Somit sind solche Sensoren durch die vergleichsweise größeren Winkeltoleranzen auch ideal zur Positionsbestimmung sich bewegender Objekte, da sie kleinere Lageungenauigkeiten ausgleichen können. Ein gutes Beispiel hierfür ist die Detektion von dünnen und möglicherweise stark reflektierenden Metalldrähten.

Überdies lassen sich auch raue und unebene Oberflächen, die mitunter punktförmige Lichtstrahlen streuen, in der Regel mit dem linienförmigen Lichtstrahl solcher Geräte sehr gut abtasten.

Besonders zuverlässig sind Lichtschranken

Lässt es der Bauraum vor Ort und die Applikation selbst zu, sind als Taster-Optionen auch Lichtschranken, Reflexionslichtschranken oder Smart Reflex Sensoren möglich. Lichtschranken mit getrenntem Sender und Empfänger erweisen sich vielfach als besonders zuverlässig, da ein zu detektierendes Objekt gänzlich unabhängig von seinen Oberflächeneigenschaften den Lichtstrahl des Einwegsystems unterbricht, das dann ein auswertbares Signal erzeugt. Einzig bei hochtransparenten Objekten muss geprüft werden, ob sie den Strahlengang der gewählten Lichtschranke funktionssicher unterbrechen.

Gerichtetes Licht durch Polarisationsfilter

Optischen Sensoren mit einem Reflektor als Gegenelement (Reflexionslichtschranken) benötigen bei stark reflektierenden Objekten eventuell den Einsatz eines Polarisationsfilters, z.B. hochglanzlackierten Bauteilen, um die gewünschten Ergebnisse zu liefern.

Optischen Sensoren mit einem Reflektor als Gegenelement benötigen bei stark reflektierenden Objekten eventuell den Einsatz eines Polarisationsfilters.

Durch den Einbau solcher Filter ist die Sendeoptik nur auf einer bestimmten Schwingungsachse des Lichts durchlässig. Ebenso verhält es sich mit dem empfängerseitigen Polfilter, wobei dieser im Vergleich zur Sendeoptik um 90° verdreht eingebaut ist. Begründet ist dies durch die Eigenschaft der einzelnen Tripelelemente des Reflektors, die die Schwingungsebene des Sendelichtstrahls um 90° drehen. Entsprechend passiert nur das vom Tripelspiegel reflektierte Licht den Polfilter der Empfangsoptik. Stark glänzende oder gar spiegelnde Bauteile können indes die Schwingungsebene des Sendelichtstrahls nicht beeinflussen, sodass kein Licht den Polfilter des Empfängers passiert, wodurch das abzufragende Teil sicher erkannt wird.

Beliebiges Gegenelement als Reflektor

Smart Reflex Sensoren arbeiten ähnlich wie Reflexionslichtschranken, verwenden aber als Gegenelement (Reflektor) ein Maschinenteil, ein Blech, eine Führungsschiene oder eine andere reflektierende Fläche, wodurch der Montageaufwand reduziert wird. Derartige Geräte werden einmalig auf die jeweilige Einbausituation und das gewählte Reflektorelement eingerichtet. Dabei darf kein Objekt im Strahlengang vorhanden sein. Alle Abweichungen hiervon lösen in der Folge ein Schaltverhalten aus (z.B. Objekt zwischen Gerät und Reflektor). Solche Lösungen werden beispielsweise bevorzugt zur Detektion von Folien verwendet, deren Oberflächen auch ohne Beschichtung schon einen hohen Glanzgrad aufweisen.

Alternative zum Licht: Ultraschall

Führen Optosensoren nicht zum Ziel, bieten sich Ultraschallsensoren (als Taster, Ultraschallschranken oder Reflexionssysteme) zur Abfrage von Objekten mit schwierigen Oberflächen an. Die Geräte arbeiten nach dem Echo-Laufzeit-Verfahren, bei der die Zeit gemessen wird, die ein Schallimpuls zu einer Objektoberfläche und zurück benötigt. Der Glanzgrad und die Lichtdurchlässigkeit eines Objektes spielen somit keine Rolle. Ultraschallsensoren benötigen aber ebenfalls eine genaue Ausrichtung zur Bauteiloberfläche, sodass deren Installation mit gewissem Aufwand verbunden ist. Durch die größeren Öffnungswinkel der Schallwandler können z.B. Ultraschalltaster jedoch im Vergleich zu punktförmigen Lichttastern großflächiger detektieren und ermöglichen daher höhere Winkeltoleranzen.

Geringere Reichweiten, aber hart im Nehmen

Bestehen glänzende oder reflektierende Objekte aus Metall, ist auch der Einsatz induktiver Sensoren denkbar. Ihre Reichweite ist in Abhängigkeit von der Gerätebaugröße allerdings relativ gering. Daher ist eine nahe Positionierung am zu detektierenden Bauteil notwendig, dessen Oberflächeneigenschaften aber keinen Einfluss auf die Zuverlässigkeit der Sensoren hat. Mittlerweile gibt es zudem Lösungen mit Arbeitsabständen von bis zu 200 mm. Allerdings muss die Grundfläche des abzufragenden Objektes in einem solchen Fall ebenfalls mindestens 200 x 200 mm betragen. Induktive Sensoren sind außerdem äußerst robust und daher für extrem raue Umgebungen geeignet.

kapazitive Sensoren erkennen nahezu alle erdenklichen Materialien unabhängig von deren Glanzgrad.

Mehr Freiraum bei nicht-metallischen Objekten

Zur Abfrage nicht-metallischer Objekte sind wiederum kapazitive Sensoren eine Option, da sie nahezu alle erdenklichen Materialien unabhängig von ihrem Glanzgrad erkennen. Die aktive Fläche der Sensoren besteht aus zwei konzentrisch angeordneten metallischen Elektroden. Ein sich näherndes Objekt verändert das elektrische Feld vor den Elektrodenflächen und damit die Kapazität. Die Änderung wird über eine Auswerteschaltung in ein Schaltsignal umgesetzt. So können mit kapazitiven Sensoren z.B. Materialien wie Marmor oder Porzellan abgefragt werden. Die Empfindlichkeit der Geräte ist aber maßgeblich vom Material und damit von der sogenannten Dielektrizitätskonstante abhängig (also der Durchlässigkeit eines Materials für elektrische Felder). Objekte mit niedriger Dielektrizitätszahl, etwa aus Kunststoff oder Holz, eignen sich daher nur bedingt für den Einsatz solcher Lösungen. (jv)

* Dipl.-Ing. Christian Fiebach ist Geschäftsführer der ipf electronic gmbh

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