Der Einsatz von hochfrequenten Energiesparlampen – also Leuchtstofflampen mit elektronischem Vorschaltgerät – und LED-Beleuchtungen beeinträchtigt die Funktion von Optosensoren. Bei LEDs besteht das Problem darin, dass sie auf der gleichen Technologie basieren wie die Sende-Elemente der Sensoren: Das bedeutet, sie sind gleichartige Lichtquellen, was eine Störunterdrückung deutlich erschwert. Leuchtstofflampen hingegen senden hochfrequentes moduliertes Licht aus, das die Sensoren stören kann, wenn dieses Licht in die Modulationsfrequenz des Sensors fällt. In diesen Fällen bietet die bislang übliche analoge Signalverarbeitung nur begrenzte Mittel zur Filterung, was zu Fehlschaltungen oder anderen Betriebseinschränkungen führen kann. Dann ist die Schaltfrequenz oder die Empfindlichkeit des Sensors vermindert.

Erstmals mit digitaler Verarbeitung

Der erste Opto-Asic mit digitaler Signalver­arbeitung steigert die Leistungs­fähigkeit von Opto­sensoren.

© Sick

Seit 20 Jahren entwickelt das Unternehmen Sick die Asics für seine Optosensoren in Eigenregie. Mit der vierten Gerätegeneration halten erstmals die Methoden der digitalen Signalverarbeitung Einzug in die Welt optoelektronischer Sensoren. Beim OES4 handelt es sich um einen 12,5 mm² kleinen Hochvolt-CMOS im Rastermaß 0,35 µm. Bei diesem Asic wurde durch Integration vieler Sensorfunktionen eine weitere Miniaturisierung erreicht, so dass Zusatzbestückungen und externe Schaltungen entfallen können.

Die entscheidende Innovation des neuen Opto-Asics allerdings ist die Integration digitaler Algorithmen bei der Verarbeitung der Signale. Neben einer verbesserten Einstellbarkeit durch eine digitale Kennlinie ermöglichen sie eine gezielte Filterung von Störlicht und elektromagnetischer Strahlung und das nahezu ohne Einschränkung der Detektionsfähigkeit. Umgesetzt wird dies durch sogenannte FIR-Filter (FIR steht für Finite Impulse Response). Das sind Filter mit endlicher Impulsantwort, wodurch sie nicht instabil werden können. Solche Filter lassen sich besonders einfach digital umsetzen. Die unerwünschten Signalanteile auf dem Sensorsignal können mit dieser Technik bis zum Faktor 1000 gedämpft werden. Ein patentiertes Bewertungsverfahren untersucht unterschiedliche Frequenzbereiche und wählt solche aus, die die eigentlichen Sensorsignale möglichst ungestört passieren lassen. Der Vorteil dieser Technologie wird beispielsweise bei der Anwesenheit von Energiesparlampen im Sichtfeld des Sensors deutlich. Sensoren ohne Störunterdrückung zeigen im Bereich des Schaltpunktes massives Fehlschalten. Sensoren mit einfacher Stör­unterdrückung müssen ihre Empfindlichkeit reduzieren – wodurch sich jedoch der eingestellte Schaltpunkt verschiebt. Dies kann dazu führen, dass das Tastobjekt nicht mehr an der gewünschten Position erkannt wird.

Die verwendete Digital-Technologie eliminiert diese zwei Fehlerquellen zuverlässig: Das Störsignal der Energiesparlampe wird ohne Beeinflussung des eigenen Sensorsignals herausgefiltert. Der eingestellte Schaltpunkt bleibt stabil; das Tastobjekt wird an der gewünschten Stelle erkannt. Mit dieser Intelligenz ausgestattet, kann der Sensor neben den optischen Störern auch elektromagnetische Beeinflussungen durch Spitzenströme und HF-Felder über ein sehr breites Frequenzband ausfiltern.

Vorteile der digitalen Kennlinie

Ein Beispiel für den dynamischen Einsatz der digitalen Kennlinie ist eine automatische Schaltschwellen­nach­führung bei der Detektion trans­parenter Objekte.

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Die gezielte Filterung ist aber nicht der einzige Vorteil der digitalen Verarbeitung. Ein weiterer ist die digitale, linearisierte Einstellkennlinie des Asics. Gerade bei den optischen Tastern ermöglicht diese Kennlinie eine sehr feinfühlige Einstellung der Tastweite. Die verbesserte Einstellbarkeit reduziert neben den Toleranzen das Driftverhalten und die Abhängigkeit von Temperaturveränderungen. Im Betrieb bleibt der einmal eingestellte Schaltpunkt stabil – eine Verschiebung wird vermieden. Mit zusätzlichen Möglichkeiten zur individuellen Parametrierung bietet das Asic eine gute Grundlage für Sensorik-Sonderlösungen. Einstellbar sind beispielsweise die Ausgangsbeschaltung, Schaltschwelle und Hysterese sowie die Verschmutzungskon­trolle.

Die digitalen Algorithmen in Kombination mit lichtstarken Pin-Point- oder Lasersendern ermöglichen hohe Schaltgeschwindigkeiten und Wiederholgenauigkeiten, die weit über die normalen Nutzungsanforderungen hinausgehen. Der theoretische Wert des Asic liegt bei 20 kHz, praktisch wird je nach Sensortechnologie ein Wert von etwa 1 kHz erreicht. Zugegeben: In der Praxis ist die Schaltgeschwindigkeit meist nicht der kritische Wert. Doch in Grenzapplikationen, wo es gilt, aus Geschwindigkeit und Reichweite das Optimale herauszuholen, spielen Sensoren mit diesem Asic durch ihre freie Parametrierbarkeit und die hohe Wiederholgenauigkeit besondere Trümpfe gegenüber ihren analogen Konkurrenten aus.

Zusatznutzen integriert

Realisiert wurde zudem ein aktiver Verpolschutz, bei dem der Sensor automatisch meldet, wenn er nicht richtig angeschlossen ist oder eine zu geringe Spannung anliegt. Schließlich bietet das Opto-Asic durch eine integrierte IO-Link-Treiberstufe verbesserte Unterstützung dieses Kommunikationsstandards. IO-Link ermöglicht es, Einstellungen während des Betriebs über die Steuerung vorzunehmen und Diagnosedaten des Sensors auszuwerten.

Dies geschieht heute über die Ausgangsleitung. Mittelfristig soll der IO-Link-Standard über eine drahtlose Datenübertragung ermöglicht werden. Sick hat in einer Musterapplikation Bluetooth als Funkübertragung gewählt. Damit können Sensoren per Smartphone parametriert sowie Betriebs- und Diagnose-Informationen abgerufen werden. Neben Bluetooth sind andere Funkübertragungswege umsetzbar.

Autor: Wilhelm Schürmann ist Business Unit Manager Photoelectric Sensors & Fibres bei Sick in Waldkirch.