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110 Sensoren Lichtsensoren Grundlagen Betriebsarten Auf Seite 107 haben wir kurz die vier grundsätzlichen Betriebsarten von Lichtsensoren besprochen. Dazu zählen: • Einweglichtschranke • Reflexlichtschranke (polarisiert) • Reflexlichttaster, diffus • Hintergrundausblendung (Perfect Prox) Einweglichtschranke Sender und Empfänger sind getrennt und stehen sich über einen Bereich hinweg gegenüber. Die Erfassung erfolgt über den in gerader Linie zwischen den beiden Linsen verlaufenden Lichtstrahl. Ein Objekt wird nur erkannt, wenn es den Lichtstrahl vollständig unterbricht. Stärken: • Großer Erkennungsabstand (bis zu 240 m). • Sehr zuverlässig. • Kann durch lichtundurchlässige Objekte sehen. Schwächen: • Zwei Komponenten müssen befestigt und verdrahtet werden. • Schwierige Ausrichtung über größere Entfernungen. Funktionsweise: 1 2 4 2 Normaler Zustand a Sender b Sichtfeld c Empfänger d Wirksamer Lichtstrahl 3 2 Reflexlichtschranke, polarisiert Sender und Empfänger sind parallel zueinander auf der gleichen Seite des zu erkennenden Objekts angebracht. Gegenüber sitzt ein Reflektor. Dieser schickt das gesendete Licht zurück zum Empfänger. Läuft ein Zielobjekt zwischen Sender/ Empfänger und Reflektor hindurch, wird der Lichtstrahl nicht mehr zurückgeworfen und das Zielobjekt wird erkannt. Das Zielobjekt muss den gesamten Lichtstrahl unterbrechen. In einigen Fällen kann die glänzende Oberfläche eines Zielobjekts zu falschen Ergebnissen bei der Ansteuerung der Reflexlichtschranke führen. Um dies zu vermeiden, kann eine polarisierte Reflexlichtschranke verwendet werden. Der Polarisationsfilter auf dem Sensor stellt sicher, dass nur das von einem Reflektor um 90° gedrehte Licht vom Sensor erkannt wird. Stärken: • Mittlerer Erkennungsabstand. • Geringe Kosten. • Einfacher Einbau. • Muss nicht exakt ausgerichtet werden. • Erkennung glänzender Oberflächen durch Polarisationsfilter sicher möglich. Schwächen: • Reflektor muss montiert werden. • Problem bei Erkennung durchsichtiger Objekte. • Schmutz auf Reflektor kann Funktion beeinträchtigen. • Nicht geeignet zur Erfassung kleiner Objekte. Funktionsweise: 1 2 3 Reflexlichttaster, diffus Sender und Empfänger sitzen auf der gleichen Seite des Zielobjekts. Die beiden Komponenten sind so ausgerichtet, dass sich ihre Blickfelder kreuzen. Tritt ein Zielobjekt in den Bereich ein, reflektiert dessen Objektoberfläche das gesendete Licht zurück zum Empfänger. Stärken: • Flexible Anwendung. • Geringe Kosten. • Einfache Installation. • Einfache Ausrichtung. • Zahlreiche verschiedene Elemente für viele Anwendungsarten. Schwächen: • Kurze Erfassungsabstände (unter 3m). • Erfassungsabstand abhängig von Größe, Oberfläche und Form des Zielobjekts. Funktionsweise: 1 Normaler Zustand a Sender/Empfänger b Zielobjekt 1 2 2 Zielobjekt erfasst a Sender/Empfänger b Zielobjekt reflektiert Lichtstrahl; d. h. Zielobjekt erfasst. Hintergrundausblendung (Perfect Prox) Dieses Erfassungsschema ist eine spezielle Art des diffusen Reflexlichttasters. Es vereinigt extrem hohe Erfassungsleistung mit scharfer optischer Trennung. Hierdurch kann der Sensor Zielobjekte unabhängig von ihrer Farbe, Reflexionsgrad, Kontrast oder Oberflächenbeschaffenheit, zuverlässig erkennen und dabei Objekte unmittelbar außerhalb des Zielbereichs ignorieren. Bei dieser Methode werden zwei unterschiedliche Photodetektoren eingesetzt. Bei einem Perfect Prox mit 150-mm-Bereich hat der vordere Empfänger einen Bereich von 0 bis 610 mm. Der hintere Empfänger hat einen Erfassungsbereich von 150 bis 610 mm. Objekte, die näher als 150 mm sind, werden nur von dem vorderen Fühler erfasst. Objekte im Abstand zwischen 150 und 610 mm werden von beiden Empfängern erfasst. Ist das Signal vom vorderen Empfänger stärker als das vom hinteren Empfänger, wird der Sensorausgang durchgeschaltet. Ist das Signal vom hinteren Empfänger stärker als das Signal vom vorderen Empfänger oder gleich, ist der Ausgang abgeschaltet. Das Ergebnis ist ein Sensor mit hoher Lichtintensitätsdifferenz über 150 mm, verbunden mit einer scharfen Trennung. 1 4 2 3 Perfect Prox Sensor a Sensor b Naherfassungsbereich c Fernerfassungsbereich d Trenndistanz 1 3 Ziel erfasst a Sender b Empfänger c Objekt blockiert Lichtstrahl. Normaler Zustand a Sender/Empfänger b Zielobjekt c Retroreflektor 1 2 3 Zustand „Zielobjekt erfasst“ a Sender/Empfänger b Zielobjekt verhindert Reflektion; d. h. Zielobjekt erfasst. c Retroreflektor CA053003DE-INT www.eaton.eu
Grundlagen Sensoren 111 Lichtsensoren Funktionsreserve Definition Die Funktionsreserve gibt den Lichtüberschuss eines Lichtsensors an, der über die zur Erkennung eines Objekts erforderliche Lichtmenge hinausgeht. Eine Funktionsreserve von „1“ für einen Bereich gibt an, dass die vorhandene Leistung exakt ausreicht, um ein Objekt in diesem Bereich unter perfekten Bedingungen zu erfassen. Das heißt, dass der Bereich, in dem die Lichtintensitätsdifferenz „1“ ist, dem maximalen Bereich des Sensors entspricht. Jedem Sensormodell liegt ein Funktionsreservediagramm bei, mit dem Sie die Funktionsreserve für den Erfassungsabstand einer Anwendung bestimmen können. Wir müssen allerdings die folgenden realen Variablen in Betracht ziehen: • Zielgröße • Zielfarbe • Struktur der Zieloberfläche • Fähigkeit, den Lichtstrahl zu unterbrechen • Hintergrund • Anwendungsumgebung Die reale Welt enthält Schmutz - z. B. Staub, Feuchtigkeit und Abrieb - der sich auf den Linsen absetzen kann und die Lichtübertragung stört. Darüber hinaus kann sich jedes einzelne Zielobjekt in Farbe, Reflexionsvermögen oder Abstand zum Sensor geringfügig vom nächsten Objekt unterscheiden. Wird ein Sensor mit einer Funktionsreserve von genau „1“ verwendet, ist die Wahrscheinlichkeit sehr groß, dass das Zielobjekt nicht zuverlässig erkannt wird. Um auf der sicheren Seite zu liegen, wird ein Sensor mit der höchstmöglichen Funktionsreserve im vorgesehenen Bereich benötigt. Dies stellt sicher, dass der Sensor im gewünschten Bereich zuverlässig arbeitet. Verschlimmert sich der Verschmutzungsgrad, wird eine höhere Funktionsreserve benötigt, um die schlechtere Sicht auszugleichen. Einweglichtschranke Die Funktionsreserve dieses Sensortyps ist am einfachsten zu messen. Die Funktionsreserve ist fast ausschließlich eine Funktion des Abstands zwischen Sender und Empfänger. Wollen Sie die Lichtintensitätsdifferenz in einer Anwendung verwenden, beginnen Sie mit dem Lichtintensitätsdifferenzdiagramm für den Einweglichtsensor. Berücksichtigen Sie dann: • Fluchtungsfehler zwischen den beiden Geräten. • Schmutz im Umfeld verringert den Wert. 1000 100 10 Beispiel einer Lichtintensitätsdifferenzkurve bei Einweglicht Beträgt der Abstand zwischen diesen Sensoren 30 ft (9 m), hat die Lichtintensitätsdifferenz für diesen Abstand den Wert „10”. Reflexlichttaster, diffus Fast jeder diffuse Reflexlichttaster hat eine für ihn spezifische Kombination von Linsen und Strahlwinkeln. Daraus folgt, dass fast jeder Sensor seine eigene Funktionsreservekurve besitzt. Bereiche diffuser Reflexion: 4000 1000 1 0.1 1 10 100 [ft] 100 10 Weitbereichssensor Perfect Prox, Beispiel 1000 100 10 1 0.1 10 20 30 40 50 60 70 100 [in] 1000 100 10 8 9 1 2.5 25 254 2540 S n [mm] Reflexlichttaster, diffus, reflexiert 8 Comet 13102A typisch 9 Comet 13102A minimum Erfassungsbereich bezogen auf 90 % reflektierende weiße Zielobjekte. Die Funktionsreserve eines Nahbereichssensors ist groß im fokussierten Bereich und fällt schnell ab. Der Lichtstrahl des Senders und das Sichtfeld des Empfängers laufen kurz hinter den Linsen zusammen. Die in diesem Bereich vorhandene Energie ist sehr hoch und gestattet die Erkennung kleiner Zielobjekte. Der Sensor ignoriert Objekte im nahen Hintergrund. Nahbereich Bei einem Weitbereichsensors liegen der Lichtstrahl des Senders und das Sichtfeld des Empfängers eng beieinander auf der gleichen Achse. Die Erfassungsfähigkeit erstreckt sich über eine größere Entfernung. Die Funktionsreserve hat ihren Spitzenwert einige Zentimeter vom Sensor entfernt und fällt dann langsam mit der Entfernung ab. Weitbereich Zur Erfassung in Löchern oder Hohlräumen oder zum Erfassen sehr kleiner Objekte wird ein fokussierter Sensor mit diffuser Reflexion verwendet. Oder ein Sensor mit einem sehr kleinen Lichtpunkt. Sender und Empfänger sitzen hinter der Linse, um die Energie auf einen Punkt zu fokussieren. Die Lichtintensitätsdifferenz ist an diesem Punkt sehr hoch und fällt dann zu allen Seiten des Erfassungsbereichs hin ab. Der wirksame Lichtstrahl wird definiert als die tatsächliche Größe der Reflektoroberfläche. Damit der Sensor das Zielobjekt erkennt und seinen Ausgang schaltet, muss das Zielobjekt größer als der Reflektor sein. Wirksamer Reflexsensor-Lichtstrahl a Gesendeter Lichtstrahl b Wirksamer Lichtstrahl c Sichtfeld des Empfängers d Retroreflektor Retroreflektor/Tripelspiegel Bei einem Retroreflektor hängen Bereich und Funktionsreserve von der Qualität des Reflektors ab. Retroreflektoren liefern die höchste Signalrückführung zum Sensor. Ein Winkelreflektor hat das 2000- bis 3000- fache Reflexionsvermögen von weißem Papier. Ein Retroreflektor besteht aus drei aneinandergrenzenden Flächen, die jeweils im rechten Winkel zueinander angeordnet sind (Tripelspiegel). Retroreflektor a Lichtstrahl Ein Lichtstrahl, der auf eine der drei aneinandergrenzenden Flächen fällt, wird zunächst zur zweiten Fläche hin reflektiert, danach zur dritten Fläche und anschließend auf einem Pfad, der parallel zu seinem ursprünglichen Verlauf ist, wieder zurück zu seiner Quelle gesendet. Tausende dieser Prismen sind in einen robusten Kunststoffreflektor oder in Vinyl eingebettet. 2 1 3 1 2 1 4 1 0.1 10 100 1 [in] Nahbereich Reflexlichtschranke Die Berechnung der Funktionsreserve für eine Reflexlichtschranke ist ähnlich der für Reflexlichttaster verwendeten Methode. Bei diesem Sensortyp beziehen sich Lichtintensitätsdifferenz und Bereich auf das vom Reflektor zurückgeworfene Licht. Der maximale Arbeitsbereich ist auch von Linsengeometrie und Empfangsverstärkung abhängig. Glasperle a Lichtstrahl b Lichtundurchlässiges Material CA053003DE-INT www.eaton.eu
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