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Hell-Dunkel-Messung

Wenn sich optische Miniatursensoren nicht blenden lassen

| Autor/ Redakteur: Markus Imbach, Andrea Memminger-Wäsch* / Sariana Kunze

Unempfindlichkeit gegen Fremdlicht, Erkennen von Objekten mit ultra-schwarzen sowie transparenten Oberflächen und das bei gleichbleibend hoher Messgeschwindigkeit. Es werden optische Sensoren verlangt, die sich von extremem Fremdlicht nicht blenden lassen.

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Reflexions-Lichttaster mit Hintergrundausblendung mit Reichweiten bis 120 mm auch bei extremem Fremdlicht.
Reflexions-Lichttaster mit Hintergrundausblendung mit Reichweiten bis 120 mm auch bei extremem Fremdlicht.
(Bild: Baumer)

Haben Sie schon einmal ausgerechnet, wie viel es kostet, wenn Fertigungsmaschinen auch nur kurz ausfallen? Angesichts der engen Taktung von Produktionsprozessen kann auch eine kurze Verzögerung teure Konsequenzen haben. Neben der Software stellt auch die Sensorik eine potenzielle Fehlerquelle dar. Denn wenn ein Sensor ein Objekt oder eine Position nicht zuverlässig und in der vorgesehenen Geschwindigkeit erkennt, kann das den gesamten Prozess stören. Aufgrund ihrer Vielseitigkeit, der hohen Reichweite sowie eines sichtbaren und fokussierten Lichtstrahls bieten optische Miniatursensoren eine gute Voraussetzung. In modernen Produktionsumgebungen stehen optoelektronische Sensoren jedoch vor verschiedenen Herausforderungen.

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Störquellen verlangsamen die Messzyklen

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 längere 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.

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.

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 in der Erkennung von „schwierigen“ Objekten. 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. Für all diese Herausforderungen bietet Baumer mit dem optischen Miniatursensor der Baureihe O200 eine Lösung an.

Fremdlicht-Algorithmus für höchste Detektionssicherheit

Die Sensoren bieten dank ihrem Fremdlicht-Algorithmus höchste Detektionssicherheit unabhängig von der Lichtsituation. Zu Beginn eines jeden Messzyklus erkennen die Sensoren Störlichtquellen durch schnell getaktete Hell-Dunkel-Messungen. Die durch den Fremdlicht-Algorithmus identifizierten Störquellen werden unterdrückt und das optimale Frequenzspektrum ausgewählt. Dank einer kontinuierlichen Bewertung des Spektrums passt sich der Sensor automatisch an Änderungen in der Umgebungsbeleuchtung an. Zusammen mit einer präzisen Optik und einer leistungsfähigen Elektronik garantiert dies eine gleichbleibend hohe Messgeschwindigkeit mit einer kurzen Ansprechzeit von 0,5 ms. Die O200-Reihe bietet Reflexions-Lichtschranken mit Hintergrundausblendung sowie Fremdlichtsicherheit ohne Geschwindigkeitsverlust. Dank erhöhter Funktionsreserven erreichen sie eine Reichweite von 120 mm auf ultraschwarzen Objekten, wie z. B. Handygehäusen. Für zusätzliche Reichweite kann per IO-Link der High-Power-Modus aktiviert werden. Sensor-Varianten mit V-Optik verfügen über einen fokussierten Lichtstrahl mit nur 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 Rein- raumumgebungen notwendig sind, stellen die Smartreflect-Lichtschranken von Baumer eine Lösung dar. Sie bieten die Zuverlässigkeit einer Lichtschranke, aber ohne die Nachteile eines Reflektors – und das bei einer Reichweite von bis zu 180 mm. Für noch größere Reichweiten bietet Baumer Reflexions-Lichtschranken bis 4 m und Einweg-Lichtschranken mit bis zu 6 m Reichweite.

Miniatursensoren für Predictive Maintenance einsetzen

Die optischen Miniatursensoren haben eine IO-Link-Schnittstelle, die neben der komfortablen automatisierten Parametrierung durch bidirektionale Kommunikation smarte Optionen eröffnet. So können die Sensoren Metainformationen wie Betriebsstunden, Einschaltzyklen oder Informationen zur Betriebs- und Prozessoptimierung senden – laut dem Anbieter Voraussetzungen für Predictive Maintenance. 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 Applikation eingestellt werden. Varianten mit fixen Tastweiten müssen nicht eingelernt werden und sind sofort einsatzbereit. Für Konstrukteure bieten die Sensoren 3D-CAD-Daten mit integriertem Strahlverlauf.

* Markus Imbach, Senior Product Manager, und Andrea Memminger-Wäsch, Senior Marketing Manager, beide Sensor Solutions, Baumer Electric

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