Funktionsprinzip eines optischen Sensors – einfach erklärt

Das Funktionsprinzip eines optischen Sensors basiert auf der Aussendung und Auswertung von Licht. Als Lichtquelle kommen je nach Sensortyp beispielsweise sichtbares Rotlicht, Laserlicht oder Infrarotlicht zum Einsatz.

Ein Sender erzeugt einen gebündelten oder aufgeweiteten Lichtstrahl. Dieser trifft entweder direkt auf einen Empfänger, wird von einem Reflektor zurückgeworfen oder vom zu erkennenden Objekt reflektiert. Verändert ein Objekt den Lichtweg, erkennt die Auswerteelektronik diese Veränderung und gibt ein elektrisches Signal aus.

Vereinfacht läuft die optische Objekterkennung in vier Schritten ab:

1. Der Sensor oder Sender erzeugt ein Lichtsignal.
2. Das Licht trifft auf einen Empfänger, Reflektor oder ein Objekt.
3. Ein Objekt unterbricht oder verändert das empfangene Lichtsignal.
4. Die Sensorelektronik wertet die Veränderung aus und gibt ein Signal aus.

Dieses Signal kann von einer SPS, Maschinensteuerung oder Auswerteeinheit verarbeitet werden. Die Steuerung erhält dadurch beispielsweise die Information: Objekt vorhanden, Position erreicht, Förderstrecke belegt oder definierter Abstand eingehalten.

Welche Arten optischer Sensoren gibt es?

Optische Sensoren arbeiten mit unterschiedlichen Mess- und Erfassungsprinzipien. Welches Prinzip geeignet ist, hängt von der Anwendung, dem Objekt, der erforderlichen Reichweite und den Umgebungsbedingungen ab.

Einweg-Lichtschranke

Eine Einweg-Lichtschranke besteht aus einem getrennten Sender und Empfänger. Der Sender richtet einen Lichtstrahl direkt auf den gegenüberliegenden Empfänger. Unterbricht ein Objekt den Lichtstrahl, verändert sich das Empfangssignal und der Ausgang der Lichtschranke schaltet. Da das Licht nur einmal zwischen Sender und Empfänger übertragen wird, ermöglichen Einweg-Lichtschranken meist große Reichweiten und hohe Funktionsreserven. Sie eignen sich unter anderem zur Erkennung von Werkstücken auf Förderanlagen, zur Materialverfolgung, Staukontrolle sowie zur Erfassung heißer oder kalter Objekte.

Reflex-Lichtschranke

Bei einer Reflex-Lichtschranke befinden sich Sender und Empfänger in einem gemeinsamen Gehäuse. Gegenüber dem Sensor wird ein Reflektor montiert, der das ausgesendete Licht zum Sensor zurückwirft. Befindet sich ein Objekt zwischen Sensor und Reflektor, wird der Lichtweg unterbrochen und der Sensor schaltet. Dadurch ist nur auf einer Seite der Förderstrecke ein elektrischer Anschluss erforderlich. Bei stark spiegelnden oder glänzenden Objekten muss darauf geachtet werden, dass deren Reflexion nicht mit dem Signal des Reflektors verwechselt wird.

Lichttaster

Ein Lichttaster enthält ebenfalls Sender und Empfänger in einem Gehäuse. Im Gegensatz zur Reflex-Lichtschranke wird jedoch kein separater Reflektor benötigt. Der Lichttaster sendet Licht auf das zu erkennende Objekt. Ein Teil dieses Lichts wird von der Objektoberfläche zurück zum Sensor reflektiert. Sobald das zurückkehrende Licht einen bestimmten Wert erreicht, gibt der Sensor ein Schaltsignal aus. Die sichere Erkennung kann von der Farbe, Oberfläche, Form und Ausrichtung des Objekts beeinflusst werden. Helle Oberflächen reflektieren häufig mehr Licht als dunkle oder matte Oberflächen.

Laser-Lichtschranke

Laser-Lichtschranken arbeiten mit einem besonders schmalen und präzise ausgerichteten Lichtstrahl. Dadurch lassen sich kleine Objekte, Drähte, Konturen oder geringe Positionsabweichungen erkennen. Der sichtbare Laserpunkt erleichtert außerdem die Ausrichtung des Sensors. Bei der Auswahl und Montage sind die angegebene Laserklasse und die entsprechenden Sicherheitshinweise zu beachten.

Lichtgitter

Ein Lichtgitter besteht aus mehreren Lichtstrahlen, die gemeinsam ein Überwachungsfeld bilden. Dadurch kann ein größerer Bereich erfasst werden als mit einer einzelnen Lichtschranke. Lichtgitter eignen sich beispielsweise zur Erkennung von Objekten, deren Position oder Höhe variiert. Sie können außerdem zur Konturkontrolle, Teilezählung, Feldüberwachung oder Kontrolle eines Materialflusses eingesetzt werden.

Laser-Distanzsensor

Ein Laser-Distanzsensor erkennt nicht nur, ob ein Objekt vorhanden ist, sondern misst den Abstand zwischen Sensor und Objekt. Dazu sendet der Sensor einen Laserstrahl aus und wertet das vom Objekt reflektierte Licht aus. Abhängig vom Messprinzip wird der Abstand beispielsweise über die Laufzeit oder Phasenverschiebung des Lichts bestimmt. Das Ergebnis wird als analoger oder digitaler Messwert an die Steuerung übertragen. Laser-Distanzsensoren eignen sich zur Positionskontrolle, Füllstandsmessung, Höhenkontrolle, Durchmesserbestimmung oder Abstandsmessung auf Förderanlagen.

Infrarotsensor und Hot Metal Detector

Ein Infrarotsensor zur Erkennung heißer Objekte benötigt nicht zwingend eine eigene Lichtquelle. Heiße Werkstücke senden abhängig von ihrer Temperatur Infrarotstrahlung aus. Ein Hot Metal Detector erfasst diese Wärmestrahlung und vergleicht sie mit einer eingestellten Ansprechtemperatur. Wird der festgelegte Wert überschritten, erzeugt der Sensor ein Schaltsignal. So können heiße Brammen, Blöcke, Knüppel, Rohre, Drähte oder Glasprodukte auch bei schwierigen Umgebungsbedingungen kontaktlos erkannt werden. Ein Hot Metal Detector erkennt damit in erster Linie die Anwesenheit eines ausreichend heißen Objekts. Für eine genaue Temperaturmessung wird dagegen ein Pyrometer eingesetzt.

Was erkennt ein optischer Sensor?

Optische Sensoren können grundsätzlich Objekte aus nahezu allen Materialien erkennen, sofern das verwendete Sensorprinzip zur Anwendung passt.

Dazu gehören unter anderem:

• Metall
• Kunststoff
• Glas
• Papier und Karton
• Holz
• Gummi
• Textilien
• Flüssigkeiten
• heiße Werkstücke
• transparente oder teiltransparente Objekte

Typische Zielobjekte sind Werkstücke, Rohre, Bleche, Profile, Flaschen, Dosen, Verpackungen, Kartons, Drähte, Maschinenteile und Transportgüter.

Im Gegensatz zu einem induktiven Sensor ist die Erkennung nicht auf Metall beschränkt. Allerdings können Farbe, Transparenz, Oberflächenbeschaffenheit, Form und Ausrichtung des Objekts das optische Signal beeinflussen.

Typische Aufgaben: Objekte erkennen, zählen und positionieren

Optische Sensoren werden überall dort eingesetzt, wo Objekte berührungslos erkannt oder vermessen werden müssen. Die Aufgaben reichen von einer einfachen Anwesenheitskontrolle bis zur präzisen Weg- und Abstandsmessung.

In Maschinen und Produktionsanlagen prüfen optische Sensoren beispielsweise, ob ein Werkstück vorhanden ist, eine definierte Position erreicht hat oder korrekt zugeführt wurde.

Auf Förderanlagen erkennen und zählen sie Produkte, überwachen Materialbewegungen oder melden einen Stau. In Verpackungs- und Abfüllanlagen erfassen sie Flaschen, Dosen, Kartons oder andere Verpackungseinheiten.

Laser-Distanzsensoren messen darüber hinaus Positionen, Höhen, Füllstände oder Entfernungen. Infrarotsensoren erkennen heiße Materialien in Stahlwerken, Walzwerken, Schmieden und anderen thermischen Prozessen.

Optische Sensoren in rauen Industrieumgebungen

Staub, Dampf, Wasser, Sprühnebel, Verschmutzung, Hitze und Vibrationen können die Lichtübertragung zwischen Sender, Objekt und Empfänger beeinträchtigen. Für industrielle Anwendungen muss deshalb ausreichend Funktionsreserve vorhanden sein.

Bei der Auswahl eines optischen Sensors sollten unter anderem folgende Einflüsse berücksichtigt werden:

• Staub, Rauch, Dampf oder Nebel
• Wasser und Sprühnebel
• Verschmutzungen auf der Optik
• Fremdlicht und direkte Sonneneinstrahlung
• hohe oder niedrige Umgebungstemperaturen
• Wärmestrahlung heißer Werkstücke
• Vibrationen und mechanische Belastungen
• Farbe und Reflexionsverhalten des Objekts
• Objektgröße und Bewegungsgeschwindigkeit
• Abstand zwischen Sender, Empfänger und Objekt

In besonders anspruchsvollen Anwendungen können robuste Edelstahlgehäuse, temperaturbeständige Glasoptiken, Kühlgehäuse, Luftblasvorsätze oder Schutzrohre erforderlich sein.

Eine Lichtschranke für eine saubere Verpackungsmaschine hat andere Anforderungen als ein optischer Sensor für ein Stahlwerk, einen Ofeneinlauf oder eine Förderstrecke mit Staub, Dampf und heißen Werkstücken.

Reichweite und Funktionsreserve optischer Sensoren

Die Reichweite beschreibt den Abstand, über den ein optischer Sensor ein Objekt zuverlässig erkennen kann. Abhängig vom Sensorprinzip kann damit der Abstand zwischen Sender und Empfänger, zwischen Sensor und Reflektor oder zwischen Sensor und Zielobjekt gemeint sein.

Entscheidend ist nicht nur, dass ein Lichtsignal den Empfänger erreicht. Es muss auch unter realen Betriebsbedingungen ausreichend stark sein. Die Differenz zwischen der tatsächlich empfangenen Lichtmenge und der zum sicheren Schalten notwendigen Lichtmenge wird häufig als Funktionsreserve bezeichnet.

Eine hohe Funktionsreserve hilft dabei, vorübergehende Beeinträchtigungen durch Staub, Dampf, leichte Verschmutzungen oder kleine Ausrichtungsänderungen auszugleichen.

Die erreichbare Reichweite wird unter anderem beeinflusst durch:

• verwendetes Sensorprinzip
• Lichtquelle und Wellenlänge
• Größe des Sendelichtstrahls
• Farbe und Reflexionsgrad des Objekts
• Größe und Form des Zielobjekts
• Verschmutzung der Optik
• Umgebungslicht
• Montage und Ausrichtung
• Staub, Dampf oder Nebel im Lichtweg

Ein Datenblattwert allein reicht deshalb nicht immer aus. Entscheidend ist die zuverlässige Erkennung unter den tatsächlichen Prozess- und Umgebungsbedingungen.

Hellschaltung und Dunkelschaltung

Bei optischen Sensoren wird häufig zwischen Hellschaltung und Dunkelschaltung unterschieden. Bei der Hellschaltung wird der Ausgang aktiv, wenn ausreichend Licht am Empfänger ankommt. Bei der Dunkelschaltung wird der Ausgang aktiv, wenn der Lichtstrahl unterbrochen oder das Empfangssignal ausreichend abgeschwächt wird.

Welche Schaltfunktion benötigt wird, hängt von der Steuerung und dem gewünschten Verhalten der Anlage ab. Viele moderne Sensoren lassen sich entsprechend parametrieren.

Vorteile optischer Sensoren

Optische Sensoren bieten zahlreiche Vorteile für industrielle Anwendungen:

• berührungslose und verschleißfreie Erkennung
• Erfassung nahezu aller Materialien
• große Reichweiten möglich
• Erkennung sehr kleiner Objekte
• schnelle Reaktionszeiten
• hohe Wiederholgenauigkeit
• präzise Positionserfassung
• Zählung schnell bewegter Objekte
• Messung von Entfernungen und Positionen
• flexible Anpassung an unterschiedliche Anwendungen
• Erkennung heißer Objekte über Infrarotstrahlung

Dadurch eignen sich optische Sensoren besonders für Objekterkennung, Materialverfolgung, Teilezählung, Positionskontrolle, Abstandsmessung und Prozessüberwachung.

Wann ist ein optischer Sensor die richtige Lösung?

Ein optischer Sensor ist häufig die richtige Wahl, wenn ein Objekt unabhängig von seinem Material berührungslos erkannt werden soll oder wenn eine größere Reichweite erforderlich ist.

Typische Aufgaben sind:

• Werkstücke auf einem Förderband erkennen
• Flaschen, Dosen oder Verpackungen zählen
• Rohre, Bleche und Metallprofile erfassen
• kleine Teile oder Konturen erkennen
• Positionen und Endlagen kontrollieren
• Materialstaus oder Blockaden überwachen
• Abstände, Höhen oder Füllstände messen
• heiße Werkstücke auf Rollgängen erkennen
• Objektbewegungen über größere Distanzen überwachen
• wechselnde Objektpositionen mit einem Lichtgitter erfassen

Bei starker Verschmutzung, extrem dichtem Dampf oder wenn ausschließlich Metall über einen kurzen Abstand erkannt werden soll, kann ein induktiver Sensor die bessere Lösung sein. Die Auswahl sollte deshalb immer anhand der konkreten Anwendung erfolgen.

Auswahl des passenden optischen Sensors

Die Auswahl eines optischen Sensors hängt vom Zielobjekt, der Einbausituation und den Umgebungsbedingungen ab.

Folgende Fragen sollten vor der Auswahl beantwortet werden:

• Welches Objekt soll erkannt werden?
• Aus welchem Material besteht das Objekt?
• Welche Farbe und Oberfläche besitzt es?
• Ist das Objekt transparent, glänzend oder sehr dunkel?
• Wie groß ist das kleinste zu erkennende Objekt?
• Welcher Erfassungsabstand wird benötigt?
• Wie schnell bewegt sich das Objekt?
• Soll nur die Anwesenheit erkannt oder ein Abstand gemessen werden?
• Ist Platz für einen getrennten Sender und Empfänger vorhanden?
• Gibt es Staub, Rauch, Dampf, Wasser oder Sprühnebel?
• Wie hoch sind Objekt- und Umgebungstemperatur?
• Gibt es Fremdlicht oder direkte Sonneneinstrahlung?
• Welche Betriebsspannung, Schnittstelle und Ausgangsart werden benötigt?
• Benötigt die Anwendung eine Verschmutzungs- oder Alarmmeldung?

Je genauer die Einbausituation und die Prozessbedingungen bekannt sind, desto zuverlässiger lässt sich das passende optische Sensorprinzip auswählen. Eine technische Anwendungsberatung hilft dabei, unsichere Signale, Fehlauslegungen und ungeplante Anlagenstillstände zu vermeiden.

Konkrete Anwendungsfälle für optischer Sensoren
 

Werkstücke auf einem Förderband erkennen

In Förderanlagen erkennt eine Lichtschranke, ob sich ein Werkstück an einer bestimmten Position befindet. Das Objekt unterbricht den Lichtstrahl zwischen Sender und Empfänger und löst dadurch ein Schaltsignal aus.
Das Verfahren eignet sich zur Anwesenheitskontrolle, Materialverfolgung und Steuerung nachfolgender Prozessschritte.

Flaschen, Dosen und Verpackungen zählen

Optische Sensoren können Flaschen, Dosen, Kartons und andere Verpackungseinheiten auch bei hohen Fördergeschwindigkeiten erfassen. Jede Unterbrechung oder Reflexion des Lichtsignals erzeugt einen Impuls, der von der Steuerung gezählt wird. Abhängig von Material, Form und Transparenz kommen unterschiedliche Lichtschranken oder Lichttaster zum Einsatz.

Rohre, Bleche und Metallprofile erfassen

In Stahlwerken, Walzwerken und Rohrwerken dienen optische Sensoren zur Materialerkennung auf Rollgängen und Transportanlagen. Große Reichweiten und hohe Funktionsreserven ermöglichen eine zuverlässige Erfassung auch dann, wenn sich der Sensor nicht unmittelbar am Material montieren lässt. Für Anwendungen mit Rauch, Dampf, Wasser oder Hitze sind besonders robuste Sensorausführungen erforderlich.

Kleine Objekte und Konturen erkennen

Laser-Lichtschranken besitzen einen schmalen Lichtstrahl und können deshalb kleine Teile, Drähte oder Objektkanten erkennen. Sie eignen sich unter anderem für Zählaufgaben, Konturprüfungen und die Erfassung geringer Positionsabweichungen.

Unterschiedliche Objektpositionen überwachen

Wenn sich Höhe oder Position eines Objekts verändert, kann eine einzelne Lichtschranke möglicherweise nicht den gesamten relevanten Bereich abdecken. Ein Lichtgitter erzeugt mehrere Lichtstrahlen und bildet dadurch ein größeres Erfassungsfeld. So lassen sich unterschiedlich positionierte Objekte, Materialüberstände oder variable Konturen überwachen.

Abstände und Positionen messen

Laser-Distanzsensoren messen den Abstand zu einem Objekt und liefern einen kontinuierlichen Messwert. Damit können beispielsweise Positionen, Füllstände, Höhen oder Bewegungen überwacht werden. In Stahl- und Walzwerken lassen sich auch heiße Brammen, Blöcke oder Knüppel aus sicherer Entfernung erfassen und vermessen.

Heiße Materialien erkennen

Hot Metal Detektoren erkennen die Infrarotstrahlung heißer Materialien. Sobald die Strahlung einer festgelegten Ansprechtemperatur entspricht, gibt der Sensor ein Schaltsignal aus. Typische Anwendungen sind die Erkennung von Brammen, Blöcken, Knüppeln, Rohren, Drähten, Schmiedeteilen oder heißen Glasprodukten. Die Erfassung kann auch dort eingesetzt werden, wo Staub, Dampf oder Sprühnebel klassische optische Verfahren beeinträchtigen.

FAQ – häufige Fragen zu optischen Sensoren

Sie benötigen einen optischen Sensor für Ihre Anwendung?

Ob Objekterkennung, Materialverfolgung, Teilezählung, Positionskontrolle, Abstandsmessung oder die Erfassung heißer Werkstücke: Die passende Sensorlösung hängt immer von Ihrer konkreten Anwendung ab.

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So vermeiden Sie Fehlauslegungen, instabile Schaltsignale und ungeplante Anlagenstillstände – und erhalten einen optischen Sensor, der zuverlässig zu Ihrer Anwendung passt.

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