Optische oder auch optoelektronische Sensoren wandeln optische Informationen in elektrisch auswertbare Signale um. Hierbei werden sichtbares Licht, Infrarotstrahlung und ultraviolettes Licht verwendet. Einsatzgebiete in der Automatisierung sind neben einfachen Erkennungsaufgaben Lage- und Abstandmessungen sowie Absicherungsaufgaben beziehungsweise Personenschutz. Unterschieden wird zwischen Einweg-, Reflexions- und tastenden Systemen.

Einwegsysteme bestehen aus einem Sender und einem Empfänger, deren Optiken gegenüberliegend zu montieren sind. Ein Objekt zwischen beiden Geräten unterbricht den von der Sendeoptik erzeugten Lichtstrahl, so dass der Empfänger ein Schaltsignal erzeugt. Zu den bekanntesten Einwegsystemen respektive tastenden Systemen gehören Lasersensoren. Sie werden vor allem in Anwendungen eingesetzt, die hohe Anforderungen an Auflösung, Wiederholgenauigkeit, Schalthäufigkeit, Schaltfrequenz und Reichweite stellen. Letzteres trifft insbeson-dere auf Laser-Lichtschranken zu. Bei Einwegsystemen ist es unerheblich, wo die Unterbrechung des Lichtstrahls erfolgt – da auf den Empfänger des Sensors eine exakte Schattenprojektion des zu detektierenden Objektes auftrifft, beeinflusst der Abstand der Messobjekte vom Sender beziehungsweise Empfänger das Messsignal in weiten Teilen nicht. Auch die Sensoren selbst beeinflussen sich gegenseitig kaum; auf engem Raum lassen sich mehrere Geräte betreiben. Lasersensoren allerdings erfassen transparente Objekte nur schwer. Auch sehr raue Oberflächenstrukturen (zum Beispiel bei Rohguss-teilen) oder sandgestrahlte Teile streuen den Laserstrahl so stark, dass es bei tastenden Systemen zu Problemen kommen kann. Auf Materialien mit gekrümmten oder glänzenden Oberflächen muss der Sensorlichtstrahl bei Laser-Tastern zudem möglichst senkrecht auftreffen. Außerdem ist bei bestimmten Sensorausführungen der Laserstrahldurchmesser nicht über den gesamten Arbeitsbereich konstant.

Kategorisierung optischer Sensoren

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Bei Reflexionssystemen (Reflex-Lichtschranke) sind Sender und Empfänger in einem Gerät untergebracht, wobei als Gegenelement ein Reflektor notwendig ist. Wie beim Einwegsystem wird auch hier die Lichtstrahlunterbrechung ausgewertet.

Zu den noch jungen Entwicklungen im Bereich der Reflexionsschranken gehören Sensoren ohne Retro-Reflektor, die jede beliebige, diffus reflektierende Fläche als Referenz nutzen können.

Sowohl Einwegsysteme als auch Reflexionssysteme ermöglichen große Reichweiten – abhängig von der Reflektorgröße – und erkennen alle Objekte unabhängig von Farbe, Form und Oberfläche. In Bezug auf Schmutzbeaufschlagung gehören Einwegsysteme zu den unempfindlichsten optischen Sensoren, da das Licht nur die Strecke zwischen Sender und Empfänger zurücklegen muss. Reflexionssysteme bieten indes den Vorteil, dass sie im Gegensatz zu Einwegsystemen nur eine Spannungsversorgung benötigen. Aber: Bei beiden Systemen ist der Montage-aufwand sehr hoch, da Sender und Empfänger beziehungsweise Sensor und Reflektor exakt aufeinander auszurichten sind. Darüber hinaus lassen sich mit Einweg- und Reflexionssystemen transparente Objekte nur schwer erfassen. Zur Erkennung reflektierender Oberflächen benötigen Reflexionssysteme zudem einen Polarisationsfilter.

Auswertung der Lichtstrahlreflexion

Auch tastende Systeme integrieren Sender und Empfänger in einem Gerät. Allerdings werten sie die Lichtstrahlreflexion am zu detektierenden Objekt aus. Der Montageaufwand ist bei ihnen gering; sie sind ohne Gegenelement einsetzbar. Bei gekrümmten oder glänzenden Objekten muss der Sensorstrahl jedoch möglichst senkrecht auf die Materialoberfläche auftreffen. Bei glänzenden Gegenständen macht sich mit zunehmendem Oberflächenglanz zudem das sogenannte Reflexionsgesetz (Einfallswinkel = Ausfallwinkel) bemerkbar: Bei einem zu großen Einfallswinkel des Sendelichtstrahls kann das von der Objektoberfläche reflektierte Licht den Empfänger nicht mehr erreichen. Auch transparente Objekte lassen sich mit tastenden Systemen nur schwer erfassen.

Unabhängig vom Reflexionsgrad

Taster mit Hintergrundausblendung erkennen Materialien weitgehend unabhängig von ihrem Reflexionsgrad. Hier bewerten die Empfänger die Objektposition, aus der das auftreffende Licht reflektiert wird. Die effektive Tastweite solcher Geräte ist nicht vom zu detektierenden Objekt abhängig, sondern ausschließlich vom eingestellten Tastabstand. Ein eventuell vorhandener Hintergrund – zum Beispiel ein Maschinenbauteil – lässt sich dadurch sicher ausblenden.

Funktionsweise von Einwegsystemen (oben), Reflexionssystemen (Mitte) und tastenden Systemen (unten). OS = Sendeoptik, OE = Empfängeroptik, OR = Reflektoroptik, OT = tastende Optik.

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Technisch ist die Hintergrundausblendung durch drei unterschiedliche Konzepte realisierbar: mit einer mechanischen Hintergrundausblendung (Triangulationsprinzip), einer Dreistrahl-Optik oder mit einem Dioden-Array (elektronische Hintergrundausblendung/Triangulation).

Taster mit mechanischer Hintergrundausblendung erfassen dank ihrer hohen Einstellgenauigkeit Objekte unabhängig von ihrer Farbe. Dies trifft auch auf Sensoren mit Dreistrahl-Optik zu. Zu-dem haben diese eine hohe Ansprechgeschwindigkeit, so dass sich selbst Objekte sicher erkennen lassen, die sich schnell durch den Detektionsbereich bewegen. Anders als bei der mechanischen Hintergrundausblendung integrieren Sensoren mit Dreistrahl-Optik keine bewegten Teile und sind widerstandsfähig gegen Erschütterungen bis zu 100 G. Aufgrund der drei Optiken verfügen sie über eine hohe Verschmutzungsreserve.

Geräte mit einem Dioden-Array bieten ein gutes Einstell- und Farbverhalten über den gesamten Arbeitsbereich. Der Grund dafür ist, dass in den Bereichen des Arrays, in denen die Lichtpunktverschiebung bei großen Entfernungen nur noch sehr klein ist, die Anzahl der Dioden erhöht und ihr Abstand verringert wird. Zudem haben Sensoren mit Dioden-Array keine bewegten Teile.
Neu bei Tastern mit Hintergrundausblendung sind Geräte mit punktförmiger Rotlicht-LED. Durch den kleinen, homogenen und scharfkantigen Lichtfleck der LED lassen sich diese Sensoren exakt positionieren.

Präzise Abstandsmessung

Laser-Distanz-Sensoren (Laser-Messsysteme) eignen sich insbesondere für Mess-vorgänge an kleinen und schnell bewegten Objekten, da sie aufgrund ihrer Präzision den Abstand zu einem Objekt in sehr feinen Schritten auflösen können. Auch Objekte mit wechselnden Farben lassen sich mit diesen Geräten über eine Distanz von maximal 30 m sicher vermessen.