Funktionsweisen verschiedener Sensoren

Entdecken Sie die Vielfalt der Sensortechnik

Einweg-Lichtschranke

Lichtschranken bestehen aus einer Lichtstrahlenquelle (dem Sender) und einem Sensor (dem Empfänger) für diese Strahlung. Bei Einweglichtschranken stehen sich Sender und Empfänger gegenüber. 

Als Lichtquelle kommen unter anderem Leuchtdioden mit einer Wellenlänge von 660 nm (sichtbares rotes Licht) oder Infrarot-LEDs mit 880–940 nm im Infrarotbereich zum Einsatz. Infrarotlicht hat den Vorteil, auf dunklen Materialien eine höhere Reichweite zu erzielen, auch ist es für das menschliche Auge nicht sichtbar. Der Vorteil beim Rotlicht besteht in der einfacheren Einstellung des Sensorsystems durch den sichtbaren Lichtfleck. Für besonders präzise Anwendungen (Kleinteileerkennung, hohe Wiederholgenauigkeit) wird i. d. R. Licht aus einer Laserdiode eingesetzt. Der Empfänger ist meist eine Photodiode oder Phototransistor, seltener auch ein Fotowiderstand. 

Um eine Lichtschranke unempfindlich gegenüber Fremdlicht zu machen wird die Strahlung, insbesondere bei weitreichenden Modellen, moduliert, um sie vom Umgebungslicht unterscheiden zu können. 

Reflexions-Lichtschranke

Um eine elektrische Zuleitung an einen zweiten Ort einzusparen, werden Sender und Empfänger häufig nahe beieinander (parallel) doch optisch getrennt in einem Gehäuse integriert. Das Lichtsignal wird an der gegenüberliegenden Seite an einem Reflektor zurückgeworfen.

Reflex-Lichttaster

Das Lichtsignal wird bei diesen über das zu detektierende Objekt selbst zurückgeworfen. Der Schaltabstand ist deshalb von den Reflexionseigenschaften der Objektoberfläche abhängig. Sender und Empfänger befinden sich auch hier parallel zueinander in einem gemeinsamen Gehäuse.

Lichtgitter

Neben den einfachen Versionen mit nur einem Lichtstrahl gibt es auch sogenannte Lichtgitter oder Lichtvorhänge, die mit mehreren parallelen oder gekreuzten Lichtstrahlen arbeiten. Mit diesen kann eine große Fläche überwacht werden, z. B. der Zugang zu einer Maschine oder einem alarmgesicherten Raum. Mit einem Lichtgitter werden Öffnungen von Gebäudelift-Fahrkörben, Türen oder Tore viel besser abgesichert als mit einer einzelnen Lichtschranke.

Faseroptische Sensoren

sind Sensoren, bei denen Optik und Elektronik separat angeordnet und mittels Lichtleiter verbunden sind. Sie werden zum Beispiel bei beengten Einbauverhältnissen eingesetzt. Einweg- und Reflexlichtschranken sind möglich.

Die Funktion des kapazitiven Näherungsschalters beruht auf der Änderung des elektrischen Feldes in der Umgebung vor seiner Sensorelektrode (aktive Fläche). Es wird die Kapazität zwischen der aktiven Elektrode und dem elektrischen Erdpotential gemessen. Durch die Annäherung eines metallischen oder nicht metallischen Stoffes an die aktive Zone des Sensors vergrößert sich die Kapazität und beeinflusst so die Schwingungsamplitude des RC-Oszillators. Diese Änderung bewirkt, dass eine nachgeschaltete Triggerstufe "kippt" und ihren Ausgangszustand ändert. Die Empfindlichkeit des Sensors kann mit einem Potentiometer eingestellt werden, zum Beispiel zum Einstellen des gewünschten Schaltabstandes. Der Schaltabstand eines kapazitiven Sensors kann sehr stark variieren und ist von der Dielektrizitätskonstanten, dem Sensordurchmesser, dem Material und der Masse des angenäherten Körpers und weiterhin von der Einbaulage des Sensors abhängig.

Ein induktiver Näherungsschalter (Initiator, Annäherungsschalter, Näherungssensor, Positionssensor) ist ein Sensor, der sicher und berührungslos metallische (elektrisch leitfähige) Objekte erfasst.

Er besteht hauptsächlich aus drei Funktionseinheiten: einem Oszillator, einer Auswerteeinheit und einer Ausgangsstufe. Sobald an den induktiven Näherungsschalter eine Speisespannung angelegt wird, beginnt der Oszillator zu schwingen. Das dabei entstehende elektromagnetische Feld wird mittels Ferritkern, in welchem sich die Spule befindet, nach vorne zur aktiven Fläche gerichtet. Ein sich annäherndes Objekt (Betätigungselement) entzieht dem Schwingkreis Energie, worauf seine Oszillatorspannung kleiner wird. Ohne direkten Kontakt zu dem zu detektierenden Objekt wird am Ausgang ein schalterähnliches, binäres Signal, „Objekt erkannt/nicht erkannt“, zur Verfügung gestellt.

Der induktive Näherungsschalter ist mit einem Reduktionsfaktor behaftet, der die Reduktion des Schaltabstandes bei geändertem Objekt-Material angibt. Dieser ist sowohl von den konstruktiven Gegebenheiten des Näherungsschalters (z. B. Gehäusematerial) als auch vom Material des Bedämpfungselements (Objekt) abhängig. Zum Beispiel reduziert sich der Schaltabstand bei einem Messing-Objekt auf ca. 40 %. Dieses Verhalten kann in bestimmten Applikationen störend wirken und hat dazu geführt, dass die sogenannten Reduktionsfaktor-1-Sensoren, Faktor-1 (Allmetallschalter) entwickelt wurden.

Die Funktion des Strömungssensors beruht auf dem thermodynamischen Prinzip. Der Messfühlerwird um einige Grade Celsius von innen heraus gegenüber dem Strömungsmedium, in welches er hineinragt, aufgeheizt. Fließt das Medium, so wird die in dem Fühler erzeugte Wärme durch das Medium abgeführt, d. h. der Fühler wird gekühlt. Die sich in dem Fühler einstellende Temperatur wird gemessen und mit der ebenfalls gemessenen Medium-Temperatur verglichen. Aus der gewonnenen Temperaturdifferenz kann für jedes Medium der Strömungszustand abgeleitet werden.

Die Empfindlichkeit thermodynamischer Strömungssensoren hängt von den wärmetechnischen Eigenschaften eines Mediums ab. So ist der Erfassungsbereich eines Standardsensors, aufgrund der geringeren Wärmeleitfähigkeit, für Öl etwa dreimal größer und für Luft ca. 30 mal größer als der für Wasser. Sofern nicht anders vermerkt, sind die technischen Daten eines Sensors für Wasser spezifiziert.

So bald bewegte, elektrisch geladene Staubpartikel an der Messonde (Sensorstab) aufprallen oder daran vorbeiströmen erfolgt ein elektrischer Ladungstransfer von den Partikeln zum Sensorstab (Aufladung durch Reibungselektrizität)). Diese sehr kleinen Signale werden in der Elektronik verstärkt und ein Messsignal erzeugt, das bei Überschreitung der Normalwerte einen Schaltkontakt auslöst.

Mikrowellen arbeiten in dem Frequenzbereich elektromagnetischer Wellen von 1 bis 300 GHz (Wellenlänge von 300 mm bis 1 mm) Bei Mikrowellen handelt es sich um elektromagnetische Wellen, daher können sie wie Licht reflektiert und gebrochen werden . Sie werden von Metallen und elektrischen Leitern reflektiert und nur wenig absorbiert. Mikrowellenschranken schalten auf Unterbrechung der Mikrowelle zwischen Sender und Empfänger, Materialflusswächter schalten auf Bewegung des Förderstroms auf Grund des Dopplereffekt.

Falls Behälterwände, Gehäuse oder Leitungen nicht metallisch sind, ist es möglich von außen durch diese hindurch zu messen. Mittels Prozessadapter sind Mikrowellen-Sensoren auch bei höheren Temperaturen einsetzbar.

Ultraschall sind mechanische Schwingungen, deren Frequenz oberhalb der Hörgrenze des menschlichen Ohrs liegt (> 20 kHz). Ultraschall kann sowohl in festen, flüssigen oder gasförmigen Medien entstehen und übertragen werden. Die Sitron Sensoren arbeiten in gasförmigen Medien (Luft). Sie messen die Laufzeit des Schalls vom Sensor zum Messobjekt und zurück. Bei Gabelschranken die Schallamplitude.

Im Einweg-Modus bestehend aus Sender und Empfänger wird durch Unterbrechung des Detektionsstrahl der Empfänger geschaltet.

Ultraschallsensoren sind einsetzbar unabhängig von Material, Oberfläche, Farbe und Größe. Sie tasten transparente und glänzende Objekte ab (auch bewegte) und sind einsetzbar bei Staub, Schmutz, Nebel und Licht. Eingeschränkt jedoch bei sehr kalten oder heißen Objekten, Schaum oder weichen Oberflächen.

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