Schnelle Lichtleiter-Lichtschranken bis 500kHz

Optoelektronische Sensoren sind wesentliche Komponenten der Fertigungs- und Automatisierungstechnik. Ihr digitaler Schaltausgang wird für unterschiedlichste Steuerungs-, Kontroll- oder Überwachungsaufgaben genutzt. Typische Einsatzgebiete sind An- und Abwesenheitskontrollen oder Zählaufgaben. Mit einem zusätzlichen Ausgang für ein reproduzierbares analoges Schaltsignal avancieren Lichtleiter-Lichtschranken zu prozessfähigen relativen Messsensoren. Ihr Einsatzgebiet in der Prüf-, Regel- und Montagetechnik oder in der Qualitätssicherung ist nahezu unbegrenzt. Sie ermöglichen relativ einfach das Erkennen von Änderungen bei Abständen, Abtastwinkeln, Hintergründen, Profilen, Geometrien, Kanten, Oberflächen, Reflexionen und sogar bei Farben. Mit entsprechenden Verstärkern erlauben diese optoelektronische Sensoren mit analogem Signalausgang schnelle und kosteneffiziente Lösungen in Fertigungsanlagen oder Montage- und Handlingseinrichtungen. In vielen Fällen ersetzten sie aufwendige Kamerasysteme, sparen Bauraum und lassen sich außerdem auch in nasser sowie in temperaturbelasteter Umgebung oder in explosionsgeschützen Bereichen einsetzen.

Von der Lichtquelle zum aufbereiteten Spannungssignal
Basis dieser optischen Sensorlösungen sind lichtleitende Glasfasern, die nach dem Prinzip der Totalreflektion die Übertragung von Licht auf beliebig gekrümmtem Weg ermöglichen. Die hochflexiblen Lichtleiter bestehen aus gebündelten Einzel-Glasfasern mit optisch polierten Stirnflächen. Ausgestattet mit Tastkopf, Stecker und Schutzmantel werden sie an eine Lichtquelle (Sender) mit sichtbarem oder unsichtbarem Licht (Infrarotlicht) angeschlossen. Am Empfänger wird aus optischer Energie elektrische Energie. So erzeugt die auf den Empfänger treffende Lichtmenge ein analoges Signal. Wird dabei ein Schwellenwert über- oder unterschritten, schaltet der Ausgang. Durch Aufbereitung des reflektierten Lichts in einem nach Empfindlichkeit und Hysterese skalierbaren Verstärker entsteht zusätzlich ein reproduzierbares analoges Spannungssignal, welches für präzises Schalten oder als Regelsignal verwendet werden kann.

Flexible Applikationslösungen

Mess- und Prüflichtschranken mit Lichtleiter lassen sich im Reflexbetrieb oder nach dem Durchlicht-Prinzip einsetzen und fast an jede beliebige Applikation anpassen. Die ELTROTEC Sensor GmbH bietet eine umfangreiche Produktpalette verschiedenster Verstärker-, Lichtleiter- und Tastkopfausführungen.

Abb. 1: Verstärker Serie-CLS mit Lichtleiter-Varianten als Basisprodukt in der Automatisierung
Je nach Typ liefern die Verstärker ein Spannungssignal von 0,1 bis 5 V oder 0 bis 10 V mit einer Linearität von etwa 1 bis 2 Prozent. Ein integrierter Referenzverstärker zur Senderüberwachung garantiert ein stabiles Langzeitverhalten. Die Schaltfrequenzen liegen bei 4 oder 8 kHz mit Ansprechzeiten bis ? 60 µs, wobei für schnelle Drehzahlerfassung beispielsweise an Turboladern eine Version mit 500kHz verfügbar ist.

Abb. 2: Sensor zur schnellen Drehzahlerkennug bei 500kHz mit kundenspezifischen Lichtleiter
Damit lassen sich auch schelle Automatisierungsaufgaben realisieren. Die Tastabstände reichen von 1 bis 200 Millimeter. Im Durchlichtbetrieb sind Abstände bis 2 Meter und mit Zusatzoptiken sogar bis 3 Meter machbar. Für höchste Genauigkeitsanforderungen kann ein Verstärker eingesetzt werden, der den für die Anwendung besonders wichtigen Signalbereich auf den gesamten Analogbereich spreizt. Damit lassen sich µm-feine Abweichungen in Struktur oder Abstand auf einer Oberfläche detektieren. (Beispiel: Transparenter Kleberauftrag auf einer metallisch blanken Oberfläche)Highlight ist ein Mehrkanalsensor (AFP 234) mit 4 parallel verarbeitbaren Kanälen in einem Gehäuse.

Abb.3: Mehrkanalsensor mit mit vier unterschiedlichen Lichtleiter an parallelen Kanälen.
Zu bedienen ist das Gerät über ein Display. Hier kann beispielsweise ein Kanal als Trigger und die anderen 3 Kanäle als Reflex- oder Durchlichtmesskanäle verwendet werden. Anwendungen sind von der einfachen Anwesenheitskontrolle bis zu exakten Erkennungsaufgaben im Bereich bis 0,01 Millimeter einfach realisierbar. Für vollständige Füge- oder Kontrollaufgaben lassen sich die einzelnen Messkanäle mit AND/OR-Funktionen verknüpfen. Ein 4 bis 20 mA Ausgang mit 1000 Punkten Auflösung oder ein Schaltausgang mit 2000 Punkten Auflösung ist am Gerät integriert. Wie bei allen Verstärker-Typen sind auch hier die unterschiedlichsten Lichtleiter vom einfachen Kunststofflichtleiter bis zum komplexen Glaslichtleiter für Sonderfunktionen adaptierbar.

Abb. 4: Lichtleiter mit verschiedenen Optiken, Umantelungen und Faserbündelstärken je nach KundenanforderungEin wesentlicher Vorteil dieser Mess- und Prüfsensoren liegt in der Vielfalt der Gestaltungsmöglichkeiten für Lichtleiter und Tastkopfvarianten sowie in der Platz sparenden Anordnung am Messort. Die Lichtleiter sind wegen ihres geringen Durchmessers sehr flexibel und leicht zu verlegen. Sie sind dank robuster Ausführung auch in aggressiver Umgebung oder an beweglichen Maschinenteilen problemlos einsetzbar. Mit einer speziellen Verklebung halten sie Temperaturen von -40 bis +400°C stand. Metallisierte Fasern und eine aufgesetzte Saphiroptik erlauben sogar Anwendungen bis +700°C, wie bei der Abstandsbestimmung in Turbinen im Heißbereich gefordert. Bei Lichtleiterlängen von bis zu 1200 Millimeter ist auch in schwierigen Umgebungen eine günstige Platzierung des Verstärkers möglich.

Zusammenfassend
Lichtleiter-Lichtschranken mit reproduzierbarem analogem Schaltsignal ermöglichen die Realisierung komplexer Mess- und Prüfaufgaben. Bereits klassische Einsatzgebiete sind Bahnkantenregelungen, Füllstandskontrollen oder Breiten- und Durchmesserüberwachungen. Mit integriertem Triggerkanalgeber können sogar Längenmessungen innerhalb einer Teileförderstrecke realisert werden.
Abb. 5: Anwendungsbeispiele für Lichtleiter-Sensoren

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