Optische Sensoren
Optische Sensoren
Der Lasersensor der Modellreihe LR-X ist ein sehr kompakter und zugleich robuster Sensor. Durch die abstandsbasierte Erkennung können Zielobjekte unabhängig von Farbe, Oberflächenbeschaffenheit oder Form erkannt werden. Das lebensmitteltaugliche Edelstahlgehäuse (SUS316L), die hohe IP-Schutzklasse sowie das metallummantelte Kabel sorgen für eine beeindruckende Lebensdauer. Erkennbare Höhenunterschiede von nur 0,5 mm sowie eine automatische Anpassung der Lichtintensität gewährleisten eine stabile Erkennung bei verschiedenen Objekten.
Die optischen Sensoren der Modellreihe LR-T können vielseitig installiert werden und erkennen beliebige Objekte unabhängig von Farbe, Material und Oberfläche. Die Lichtlauftzeit-Technologie sorgt für eine stabile Erkennung bei großen Abständen ohne Einschränkungen durch die Materialoberfläche, die Farbbeschaffenheit oder durch den Winkel des Werkstücks. Ein verstellbarer Lichtpunkt gewährleistet eine stabile Erkennung bei unebenen oder netzartigen Oberflächen. Durch den großen Erkennungsabstand von bis zu 5 m kann dieser optische Sensor auch außerhalb von Transportwegen oder Arbeitsbereichen montiert werden. Die optischen Sensoren der Modellreihe LR-T ermöglichen somit eine stabile Erkennung auch bei ausreichend großen Abständen, sodass Schäden durch Zusammenstöße mit Robotern oder ähnlichen beweglichen Maschinenteilen vermieden werden können.
Die Erkennungsstabilität von optischen Sensoren kann je nach Farbe und Oberflächenbeschaffenheit des Objekts variieren. Die optischen Sensoren der Modellreihe LR-Z berechnen den Abstand zum Erkennungsobjekt anhand der Triangulationsmethode. Dies gewährleistet eine stabile Erkennung auch bei komplexen Formen, Farbabweichungen oder wechselnden Oberflächenbeschaffenheiten der zu erkennenden Objekte. Der leistungsstarke integrierte CMOS-Laser bietet einen Erkennungsabstand von bis zu 500 mm.
Leistungsstarke optische Sensoren mit zwei LEDs für höhere Leistung und einfachere Bedienung.
Die optischen Sensoren der Modellreihe PZ-V/M besitzen eine leistungsstarke LED als Lichtquelle, die anhand von Abständen und unabhängig von Kontrastunterschieden auch in staubiger Betriebsumgebung eine zuverlässige Erkennung ermöglicht.
Bei den optischen Sensoren der Modellreihe PS-N ist die Lichtquelle im Sensorkopf verbaut. Die Auswertung des Lichts erfolgt in der separaten Auswerteeinheit. Dadurch besteht bei diesen optischen Sensoren die Möglichkeit, die Kabel zwischen Sensorkopf und Auswerteeinheit flexibel anzupassen. Dies gewährleistet eine höhere Flexibilität und Freiheit bei der Installation und Montage.
Die optischen Sensoren der Modellreihe PX sind beständig gegen Schmutz, Staub, Öl, Wasser und sonstige Verschmutzungen. Zusätzlich hilft eine kratzfeste Glaslinse, eine mit Epoxidharz hinterfüllte Struktur in einem Edelstahlgehäuse und leistungsstarke integrierte LEDs eine hohe Erkennungsstabilität und Robustheit zu gewährleisten. Die verschiedenen Sensorköpfe verfügen über die Schutzart IP68/IP69K und auch die Auswerteeinheit ist dank des IP-Schutzes für einen Einsatz in anspruchsvollen Umgebungen geeignet. Die Sensorköpfe gibt es als Lichtschranken und reflektive Modelle, weshalb die Modellreihe PX enorm vielseitig einsetzbar ist.
Ein optischer Sensor mit separater Auswerteeinheit und einer Vielzahl an unterschiedlichen Köpfen. Die Varianten der Sensorköpfe reichen von sehr dünnen Kompaktmodellen bis hin zu chemikalienbeständigen Modellen.
Optischer Sensor mit separater Auswerteeinheit und kompakten Sensorköpfen.
Farbsensoren
Die optischen Farbsensoren der Modellreihe LR-W eignen sich zur Erkennung und Unterscheidung beliebiger Objekte anhand der Farbe. Durch die Weißlicht-LED wird das komplette Farbspektrum abgedeckt, wodurch diese optischen Sensoren alle Farben erfassen können. Durch eine automatische Anpassung der Lichtintensität können sowohl dunkle als auch helle Objekte erfasst werden. Die Modellreihe LR-W umfasst 3 verschiedene Sensormodelle, so dass für verschiedene Einsatzbedingungen und Anforderungen der richtige optische Sensor zur Verfügung steht. Der maximale Erkennungsabstand beträgt 500 mm beim Modell LR-W500. Für eine Erkennung im Nahbereich oder unter begrenztem Einbauplatz kann das Modell LR-WF10 in Kombination mit Leichtleitern eingesetzt werden.
Die optischen Sensoren der Modellreihe CZ-V20 können für verschiedenste Anwendungen zur Farb-, Glanz- oder Fluoreszenzerkennung eingesetzt werden. Durch den separaten Aufbau aus Sensorkopf und Auswerteeinheit kann je nach zu erkennendem Objekt der passende Sensor ausgewählt werden.
Die Auswerteeinheiten der Modellreihe CZ können in Kombination mit unterschiedlichen Lichtleitern genutzt werden.
Pattern-Matching-Sensor
Die optischen Allzwecksensoren der Modellreihe AI prüfen auf Merkmalsunterschiede in einer Fläche. Statt einer punktuellen Prüfung, vergleicht dieser Sensor die Pixelunterschiede in einem bestimmten Bereich, um so Abweichungen vom eingelernten Referenzzustand erkennen zu können. So werden nicht nur Musterunterschiede, sondern auch Kontrastunterschiede oder Lageunterscheidungen durchgeführt.
Ein optischer Sensor sendet Licht von einem Sender aus. Das Licht wird vom Objekt reflektiert bzw. die Intensität wird durch das Objekt verändert, weil das Licht absorbiert oder nur teilweise reflektiert wird. Der Empfänger erkennt dann das reflektierte, beziehungsweise die veränderte Lichtintensität und gibt entsprechend ein Signal aus. Das Wort "optischer Sensor" ist eine Sammelbezeichnung für alle Sensoren, die Objekte anhand von "Licht" erkennen.
Da optische Sensoren Licht zur Erkennung verwenden, haben die Sensoren die folgenden Eigenschaften:
• Kontaktlose Erkennung
• Großer Erkennungsabstand
• Erkennung von nahezu jedem Zielobjekt
• Farbunterscheidung
• Schnelle Reaktionszeit
• Hochpräzise Erkennung
Einige optische Sensoren können Licht über eine Fläche erkennen, was eine genaue Erkennung auch bei Objekten ermöglicht, die in Ihrer Position nicht korrekt ausgerichtet sind. Optische Sensoren haben unterschiedliche Eigenschaften und es gibt sie in einer Vielzahl von Ausführungen. Für die optimale Auswahl eines Sensors ist eine gründliche Kenntnis der einzelnen Funktionen erforderlich.
Verschiedene Arten von optischen Sensoren
Optische Sensoren gibt es in verschiedenen Ausführungen, die nach Erkennungsmethode, Betriebsart, Anschlussmöglichkeiten oder Anwendungen klassifiziert werden. In diesem Abschnitt werden die Erkennungsmethoden und Aufbauten vorgestellt, die für die Funktionsweise von optischen Sensoren ausschlaggebend sind.
Erkennungsmethoden
Optische Sensoren können die Veränderung der Lichtintensität erkennen. Je nach Bauform der optischen Sensoren, funktioniert die Erkennung anhand von reflektiertem Licht (Lichttaster) oder der Unterbrechung eines Lichtstrahls (Lichtschranke).
Im Folgenden werden die wichtigsten Erkennungsmethoden von optischen Sensoren beschrieben.
Lichtschranke:
Eine Lichtschranke kann ein Schaltsignal ausgeben, sobald ein Objekt die optische Achse zwischen Sender und Empfänger unterbricht.
Lichttaster/ Reflektiver Sensor:
Die Erkennung erfolgt anhand des vom Objekt reflektierten Lichts, das der optische Sensor emittiert.
Retro-reflektiver Sensor:
Die Erkennung dieser optischen Sensoren ist vergleichbar mit einer Lichtschranke. Eine Erkennung erfolgt, sobald sich das emittierte und von einem Reflektor reflektierte Licht verändert.
Glanzbestimmung (reflektiv):
Wenn der Lichtstrahl auf ein Objekt trifft, wird das Licht je nach Glanz der Oberfläche unterschiedlich reflektiert. Der optische Sensor erkennt den Glanzunterschied anhand der Art des reflektierten Lichts (spiegelnd oder diffus).
Bauarten von optischen Sensoren
Ein optischer Sensor besteht aus einem Sender, einem Empfänger und einer Auswerteeinheit/einem Steuergerät. Der Sender enthält eine Lichtquelle (LED oder Laser), der Empfänger ein Lichtaufnahmeelement. Hierbei handelt es sich typischerweise um einen Phototransistor, eine Photodiode oder einen CMOS-Chip. Im Folgenden werden die gängigen Bauarten von optischen Sensoren vorgestellt.
A: Auswerteeinheit, B: Auswerteeinheit/Steuergerät, C: Sender, D: Licht, E: Empfänger
Optische Sensoren mit separater Auswerteeinheit:
• Kompakte Sensorköpfe
• externe Kalibrierung des Sensors möglich, auch wenn dieser an einer schwer zugänglichen Stelle installiert ist
A: Sender, B: Licht, C: Empfänger, D: Auswerteeinheit/Steuergerät
Optische Sensoren mit intergrierter Auswerteeinheit
• Keine Signalbeeinträchtigung durch elektrisches Rauschen
• Reduzierter Verdrahtungsaufwand
• Weniger Komponenten
Vorteile von optischen Sensoren
Optische Sensoren haben einen großen Erkennungsbereich. So können tastende Sensoren Objekte aus einem Abstand von 5 Metern oder mehr erkennen. Optische Sensoren in Lichtschrankenbauweise können Objekte bis zu einer Entfernung von sogar 40 Metern erfassen.
Somit kann der Sensor auch in größerer Entfernung zum Objekt installiert werden, wodurch der Einfluss von Staub oder Öl minimiert werden kann. Optische Sensoren können zum Beispiel auch außerhalb eines Arbeitsbereichs von Robotern installiert werden, was die Gefahren einer Beschädigung minimiert.
Optische Sensoren sind sowohl bei schwach reflektierenden Objekten als auch bei stark reflektierenden Modellen (z.B. Metalle) in der Lage, eine stabile Erkennung zu gewährleisten. Der Grund für diese Vielseitigkeit ist die automatische Anpassung der Lichtintensität durch den Sensor.
Der optische Sensor der Modellreihe LR-W, der mit einer weißen Vollspektrum-LED arbeitet, eignet sich zum Beispiel sehr gut, um Objekte anhand ihrer Farben zu unterscheiden. Auch optische Sensoren, die mit RGB-Lichtquellen arbeiten, können Objekte anhand ihrer Farbe unterscheiden. Mit einem enstprechenden Sensorkopf der Modellreihe CZ kann ein Objekt sogar anhand des Anteils fluoreszierender Substanzen erkannt und unterschieden werden.
Optische Sensoren zur Anwesenheitserkennung bei KEYENCE können dank des Laser-Triangulationsprinzips einen minimalen Höhenunterschied von 0,5 mm erkennen. Somit können diese Sensoren für eine Vielzahl von Anwendungen, von der allgemeinen Objekterkennung bis zur Unterscheidung geringer Objekthöhen, eingesetzt werden. In Kombination mit einer geringen Ansprechzeit können optische Sensoren auch für Hochgeschwindigkeitsabfragen eingesetzt werden. Auswirkungen von Objektfarbe und -neigung werden durch die automatische Anpassung der Empfindlichkeit und Lichtintensität reduziert.
Anwendungsbereiche von optischen Sensoren
Stabile Erkennung von unterschiedlichen Objekten
Der optische Sensor der Modellreihe LR-Z kann durch Laser-Triangulation Objekte anhand des Abstands oder der Höhe unterscheiden und erkennen. Neben der abstandsbasierten Erkennung kann der Sensor auch ein Lichtempfangsmuster aus empfangener Lichtmenge und dem Abstand als Referenz abspeichern und vergleichen.
Die D.S.C.-Funktion (Dynamic Stability Control) sorgt für eine stabile Erkennung, wobei eine Veränderung des Hintergrunds zum Beispiel aufgrund von Staub oder Schmutz berücksichtigt und die Leistung des Sensors entsprechend angepasst wird. Somit werden nur plötzliche Änderungen des Abstands oder der erfassten Lichtintensität erkannt.
Mit der U.C.D.-Funktion kann der Sensor darüber hinaus auch dünne oder transparente Objekte erkennen, da ein Lichtempfangsmuster (Kombination aus Abstand und Lichtintensität) als Referenz abgespeichert wird.
Stabile Erkennung bei großem Abstand
Die Modellreihe LR-T hat einen großen Erkennungsabstand (max. 5 m), wodurch die optischen Sensoren außerhalb des Transportweges von Objekten oder außerhalb des Bewegungsbereichs von Maschinenteilen installiert werden können. Somit werden Roboter- oder Bedieneraktivitäten nicht beeinträchtigt, was das Risiko einer Beschädigung am Sensor oder weiterer Peripherie reduziert.
Dank der einstellbaren Lichtpunktgröße kann eine zuverlässige Erkennung verschiedenster Objekte mit unterschiedlicher Größe oder Oberflächenbeschaffenheit gewährleistet werden.
Um auch bei stark reflektierenden Objekten eine stabile Erkennung zu erreichen, kann mittels der DATUM-Funktion eine Referenzfläche überwacht werden. Der optische Sensor blendet somit sämtliche Zustände aus und überwacht nur Objekte innerhalb der vorgegeben Referenz.
Somit bieten die optischen Sensoren der Modellreihe LR-T eine stabile Erkennung bei großen Erkennungsabständen.
Erkennung von fehlausgerichteten Objekten
Die Modellreihe AI erfasst ein Bild des zu prüfenden Objekts über eine Fläche, anstatt die Lichtintensität zur Erkennung zu verwenden. Die Helligkeit und Form des Zielobjekts werden erfasst, um die für die Erkennung geeigneten Merkmale automatisch zu extrahieren. Das AIA-System der Modellreihe AI bestimmt, wie ähnlich das erkannte Zielobjekt mit dem registrierten Referenzbild ist. Diese bildbasierte Methode ermöglicht eine stabile Erkennung von fehlausgerichteten Bauteilen, die mit bisherigen Modellen über lichtintensitätsbasierter Erkennung schwer zu detektieren wären. Die Modellreihe AI bietet zudem zwei Erkennungsmodi: Anwesenheitsprüfung und Differenzprüfung. Die Anwesenheitsprüfung kann in einem einfachen zweistufigen Vorgang eingerichtet werden. Der Differenzmodus hat lediglich 3 Einstellungsschritte. Die verwendeten Erkennungsprinzipien unterscheiden sich grundsätzlich von den Erkennungsmethoden sonstiger optischer Sensoren. Dennoch bietet die Modellreihe AI die gleiche Benutzerfreundlichkeit.
Häufig gestellte Fragen zu optischen Sensoren
Optische Sensoren verwenden einen Laser oder eine LED als Lichtquelle und erkennen Objekte anhand der Intensität oder Position des reflektierten Lichts.
Bei Lichtleitersensoren befindet sich die Lichtquelle in einer Auswerteeinheit, deren Licht dann über einen Lichtwellenleiter geleitet wird. Somit liegt der Unterschied im Vorhandensein eines Lichtleiters, der das Licht zum Objekt richtet. Lichtleiter eignen sich besser zum Einsatz in engen Bauräumen oder Umgebungen mit speziellen Anforderungen, wobei hier die Auswerteeinheit über keine IP-Schutzklasse verfügen muss. Optische Sensoren mit integrierter Auswerteeinheit wiederum sind hier robuster und können unter widrigen Umgebungsbedingungen eingesetzt werden.
Näherungssensoren oder auch Näherungsgeber gibt es in verschiedenen Funktionsarten (Hochfrequenz, Magnetisch, Kapazitiv), allerdings eignen sich solche Sensoren im Vergleich zu optischen Sensoren nur für geringe Erkennungsabstände.
Die Auswahl des richtigen optischen Sensors richtet sich nach verschiedenen Parametern. Der Erkennungsabstand, das Material der zu erkennenden Objekte sowie die Installationsumgebung spielen bei der Auswahl des optischen Sensors eine Rolle.
Optische Sensoren der Modellreihe LR-Z können Objekte abstandsbasiert bis zu einem Abstand von 500 mm erfassen, wobei Sensoren der Modellreihe LR-T bis zu einem Abstand von 5 m eingesetzt werden können. Neben einer abstandsbasierten Unterscheidung können die Sensoren der Modellreihe LR-W Objekte bei gleichbleibendem Erkennungsabstand und unterschiedlichen Farben erkennen und unterscheiden.
Je nach Anforderung des zu erkennenden Objektes bringen optische Sensoren verschiedene Vorteile mit sich.
Die optischen Sensoren der Modellreihe PX sind beständig gegen Staub, Schmutz, Öl und Wasser.
Hierbei ist der Sensorkopf vollständig mit Epoxidharz gefüllt, sodass kein Schmutz oder Flüssigkeit in den Sensorkopf eindringen kann. In Kombination mit einem Edelstahlgehäuse und einer widerstandsfähigen Glaslinse bieten die Sensorköpfe der Modellreihe PX eine hervorragende Umgebungsbeständigkeit mit der Schutzklasse IP68G/IP69K.
Die Auswerteeinheit erfüllt die Schutzart IP67. Daher lassen sich die optischen Sensoren der Modellreihe PX problemlos in anspruchsvollen Umgebungsbedingungen installieren.
Es gibt viele unterschiedliche optische Sensoren. Diese unterscheiden sich nach Erkennungsmethode, Konfiguration und anderen Faktoren. In diesem Abschnitt werden die wichtigsten Punkte für die Auswahl eines optischen Sensors vorgestellt.
Anwendungen
In diesem Abschnitt werden die für verschiedene Anwendungen erforderlichen Funktionen, Erkennungsprinzipien sowie Beispiele optischer Sensoren vorgestellt.
Positionierung/Anwesenheitskontrolle
Wesentliche Funktionen und Erkennungsmethode
• Positionsgenauigkeit im Betrieb: Lichtschrankenmodelle
• Einfache Einrichtung der Betriebsposition: Retro-reflektive Modelle
Hochgeschwindigkeitserkennung
Wesentliche Funktionen und Erkennungsmethode
• Reaktionsgeschwindigkeit: Sehr schnelle Ansprechzeiten
Erkennung transparenter Objekte
Wesentliche Funktionen und Erkennungsmethode
• Bauart: Retro-reflektive Modelle zur Erkennung transparenter Objekte
Farb- und Beschriftungserkennung
Wesentliche Funktionen und Erkennungsmethode
• Farbbeschriftung und Hintergrundfarbe werden erkannt: Reflektive Modelle
• Weißer Lichtpunkt: Digitale reflektierende RGB-Modelle
Stabile Erkennung bei unebenen Oberflächen
Wesentliche Funktionen und Erkennungsmethode
• Lichtpunktgröße: Modelle mit breitem Sichtfeld (Modelle mit flächigem Erkennungsbereich)
Glanzerkennung
Wesentliche Funktionen und Erkennungsmethode
• Farb- und Mustereffekt: Lichttaster zur Glanzbestimmung
Installationsort
In diesem Abschnitt werden die Funktionen und optimalen Modelle der optischen Sensoren je nach Verwendungszweck und Installationsbedingungen vorgestellt.
Beengte Installationsmöglichkeiten
Wesentliche Funktionen und optimale Modelle
• Größe des Senders/Empfängers: Modelle mit separater Auswerteeinheit
Tastende Erkennung eines Objektes
Optimale Modelle
• Sensoren mit diffuser Reflexion
• Reflektive oder retro-reflektive Modelle (Verwendung eines Reflektors)
Eliminierung von Hintergrundeffekten
Wesentliche Funktionen und optimale Modelle
• Reaktionsgeschwindigkeit: Reflektive Modelle (U.C.D.-Funktion), reflektive Modelle mit Hintergrundunterdrückung
Eliminierung von Interferenzen durch Licht
Wesentliche Funktionen und optimale Modelle
• Umgebungslichtbeständigkeit: reflektive Modelle mit gepulstem Licht
Lebensdauer
Optimale Modelle
• Modelle mit Metallgehäuse
Bei möglicher Wassereinwirkung
Wesentliche Funktionen und optimale Modelle
• Wasserdicht: Schutzart IP66 oder höher
• Optimale Lichtquelle des optischen Sensors: Modelle mit Infrarot-LED
Anwendungen mit Staub- und Fremdkörpereinwirkung auf den optischen Sensor
Wesentliche Funktionen und optimale Modelle
• Staubgeschützter Aufbau: Modelle der Schutzart IP54 oder höher, optimalerweise mit Infrarot-LED als Lichtquelle
Wenn lange Kabel notwendig sind
Wesentliche Funktionen und zugehörige Modelle
• Kabeltyp und Kabellänge: All-In-One Geräte usw.
• Rausch- und Überspannungsschutz: Modelle mit integrierter Auswerteeinheit usw.
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