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Optische Sensoren erfüllen Aufgaben, die vom Zählen und Positionieren bis zur berührungslosen Erkennung reichen. Im Wesentlichen funktionieren optische Sensoren durch die Umwandlung von Lichtstrahlen in elektronische Signale, die dann von integrierten Messgeräten kodiert werden. Und da die Sensoroptik in vielen Branchen Einzug gehalten hat, z. B. im Gesundheitswesen, in der Unterhaltungselektronik, in der kommerziellen Fertigung und in der Produktion, bedeutet dies, dass sie sich im Aufwind befindet und es sich lohnt, etwas mehr darüber zu erfahren.
Wie funktionieren optische Sensoren?
Ein optischer Sensor ist ein Gerät, das Licht oder andere Bereiche elektromagnetischer Strahlung nutzt, um bestimmte Eigenschaften der Umgebung, von Objekten oder Substanzen zu messen, zu erkennen oder zu überwachen.
Optische Sensoren machen sich die Phänomene zunutze, die mit der Wechselwirkung von Licht und Materialien verbunden sind, und ermöglichen die präzise Messung verschiedener Parameter. Ihr Innenleben unterscheidet sich je nach Typ voneinander, womit wir uns noch befassen müssen. Viele optische Sensoren verwenden eine integrierte Lichtquelle, die elektromagnetische Strahlung in Richtung des zu überwachenden Objekts oder Bereichs sendet.
Die Art der Lichtquelle hängt von der Anwendung ab, zum Beispiel kann es sich um eine LED oder einen Laser handeln. Der Lichtempfänger sammelt dann das reflektierte oder durch das Objekt hindurchgehende Licht. Dabei kann es sich um einen Photodetektor, eine Photodiode, einen Phototransistor oder eine andere Komponente handeln, die die Menge des einfallenden Lichts aufzeichnet. Um Licht auf eine bestimmte Weise zu lenken oder zu sammeln, werden Linsen verwendet, die wie Spiegel wirken.
Das Ganze kommt nicht ohne Steuerelektronik und manchmal einen Mikroprozessor oder integrierten Schaltkreis aus. Mit diesen fortschrittlicheren Komponenten erweitert sich das Spektrum der durchzuführenden Operationen, z.B. Datenanalyse, Kalibrierung und Kommunikation mit anderen Systemen.
Arten von optischen Sensoren nach Funktionsweise
Optische Einweglichtschranken
Die Einweglichtschranke arbeitet mit Lichtstrahlen, die der Empfänger vom Sender empfängt. Wenn diese Lichtstrahlen behindert, blockiert oder unterbrochen werden, interpretiert der Empfänger dies als Schaltsignal, das dann mit dem integrierten Messgerät umgewandelt und ausgelesen werden kann. Diese beliebten optischen Sensoren lassen große Objekte durch und sind in der Lage, die Farbe, den Reflexionsgrad und die Oberflächenstruktur von Objekten zu messen. Das macht sie in kommerziellen und industriellen Umgebungen zu einem beliebten Mittel zum Zählen, Kontrollieren und Organisieren im Lager.
Reflektierende optische Sensoren
Im Gegensatz zu Einweglichtschranken haben Reflexionslichtschranken sowohl einen Sender als auch einen Empfänger in einem einzigen Gerät. Der Lichtstrahl wird vom Sender über einen reflektierenden Schirm zum Empfänger geleitet, das Hauptprinzip bleibt dabei dasselbe. Wenn der Lichtstrahl unterbrochen oder durch ein anderes Objekt gestört wird, erscheint ein Schaltsignal und der Benutzer kann die entsprechenden Daten aus dem integrierten Messgerät des Geräts auslesen. Zu den Vorteilen der Verwendung von Reflexionssensoren gehören die Stabilität und die einfache Reproduzierbarkeit, da sich der Benutzer keine Gedanken über die Positionierung von Sender und Empfänger machen muss. Es ist also recht einfach, wiederholbare Ergebnisse ohne Abweichungen zu erzielen. Sie eignen sich auch für die Erkennung von transparenten Materialien wie Glas und Objekten unterschiedlicher Farbe, Textur und Größe.
Optische Sensoren mit diffuser Reflexion
Auch hier haben wir Sender und Empfänger in einem Gerät, aber das übertragene Licht wird von dem eigentlichen Objekt reflektiert, das erkannt werden soll, und nicht von einem separaten Schirm oder einem bestimmten Bereich. Der hintere Teil des Rückprallsensors ist in der Regel empfindlicher als der vordere Teil, so dass der Wechsel dieser Geräte manchmal problematisch sein kann. Unabhängig von der gewählten Empfindlichkeitseinstellung werden Sie feststellen, dass der Sensor zu unerwarteten Aktionen und oft zu irreführenden Messwerten neigt. Dennoch sind Reflexionssensoren aufgrund ihrer relativen Kosteneffizienz und Empfindlichkeit eine beliebte Wahl in industriellen Umgebungen.
Arten von optischen Sensoren nach Aufgabe
Die vorgestellte Einteilung ist eher konventionell und hängt von der gewählten Systematik ab. In der nachstehenden Liste erscheint beispielsweise das immer beliebter werdende LiDAR eher in der Art und Weise, wie es funktioniert. Wir können ein wenig genauer sein, wenn es darum geht, was ein Sensor erkennen soll, oder besser gesagt: wofür er verwendet werden soll.
- Lichtsensoren erkennen die Intensität des Lichts in einem Bereich. Sie können zur Überwachung des Beleuchtungsniveaus in Innenräumen, zur Regulierung der Beleuchtung in Abhängigkeit von den atmosphärischen Bedingungen oder zur Erkennung von Beleuchtungsveränderungen in Sicherheitssystemen verwendet werden.
- Verwandte Farbsensoren identifizieren die Farben von Objekten, indem sie die Zusammensetzung des von ihnen reflektierten Lichtspektrums analysieren und in Sortiermaschinen, Druckern und bei der Farbanalyse in der Lebensmittelindustrie eingesetzt werden.
- Anwesenheitssensoren erkennen die Anwesenheit oder Abwesenheit eines Objekts in einem Bereich anhand der Reflexion oder Durchdringung von Licht. Sie werden häufig in Automatisierungs- und Diebstahlsicherungssystemen eingesetzt.
- Entfernungssensoren messen die Entfernung zu einem Objekt anhand der Zeit, die das Licht benötigt, um das Objekt zu erreichen und zurückzukehren. Sie werden zunehmend mit der LiDAR-Technologie konstruiert, zum Beispiel in Abstandsmessgeräten und Sicherheitssystemen für Autos.
- Temperatursensoren messen die Temperatur anhand der von Objekten ausgesandten elektromagnetischen Strahlung.
- Biometrische Sensoren verwenden zur Identifizierung die Netzhaut, Fingerabdrücke oder die Verteilung der Blutgefäße.
- Strahlungssensoren messen die Menge der elektromagnetischen Strahlung innerhalb eines bestimmten Bereichs – ein Beispiel sind UV-Sensoren.
Dies sind nur einige wenige, aber eine solch umfassende Liste vermittelt eine klare Vorstellung von der wichtigen Rolle, die sie in der Elektronik und im täglichen Leben spielen. Nichts hält Sie davon ab, sie in Projekten mit Arduino und Raspberry Pi auszuprobieren – alles, was Sie brauchen, ist ein Sensor, der mit der I2C-, SPI- oder GPIO-Schnittstelle kompatibel ist, ein wenig Wissen über die Arduino IDE und eine Idee, wie Sie das Projekt mit den Sensordaten umsetzen wollen.
