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Was sind Näherungssensoren?
Es ist leicht zu erraten, dass es sich um Geräte handelt, die die Anwesenheit von Objekten in ihrer Umgebung ohne direkten Kontakt erkennen können, aber oft endet das Wissen dort. Eine der wichtigsten Eigenschaften von Näherungssensoren ist ihre Fähigkeit, unter verschiedenen Bedingungen zu arbeiten, einschließlich Feuchtigkeit, Staub oder unterschiedlichen Wetterbedingungen. Das macht sie so weit verbreitet in der Industrie, in Anwendungen wie Produktionsautomatisierung, Leitung, Zugangskontrolle oder Sicherheitssystemen. Wenn sich ein leitfähiges Objekt dem Sensor nähert, induziert dies einen elektrischen Strom in der internen Spule des Sensors. Je nach Anwendung können Näherungssensoren so kalibriert werden, dass sie auf unterschiedliche Entfernungen reagieren, was sie vielseitig und anpassungsfähig macht, um bestimmte Aufgaben zu erfüllen.
Optische Näherungssensoren
Bei näherer Betrachtung kommt man an der Physik nicht vorbei, und optische Näherungssensoren sind eine der beliebtesten Varianten. Sie funktionieren nach dem Prinzip, dass sie Licht von einer LED ausstrahlen und das reflektierte Licht mit einer Fotodiode erfassen. Aber ein Schritt nach dem anderen. Optische Näherungssensoren senden einen Lichtstrahl in Richtung eines Objekts. Wenn sich ein Objekt in Reichweite des Sensors befindet, wird das Licht von ihm reflektiert und kehrt zum Sensor zurück, wo es von der Fotodiode erfasst wird. Anhand einer Änderung der Intensität des reflektierten Lichts kann der Sensor feststellen, ob sich ein Objekt in Reichweite befindet oder nicht. Der Lichtstrahl wird von der Oberfläche des Objekts reflektiert und kehrt zum Sensor zurück. Transparenzsensoren erkennen das Vorhandensein eines Objekts anhand der Veränderung der Intensität des Lichts, das durch das Objekt fällt.
Glasfasersensoren hingegen verwenden optische Fasern zum Senden und Empfangen von Licht, so dass die Detektoren auch in schwer zugänglichen Bereichen angebracht werden können. Ihre Hauptvorteile sind ihre Schnelligkeit und Präzision, insbesondere in Systemen, die eine sofortige Reaktion erfordern, und ihre Unempfindlichkeit gegenüber Verunreinigungen im Vergleich zu anderen Arten von Sensoren. Zu den Einschränkungen gehören eine geringere Leistung bei der Erkennung von Objekten mit geringer oder sehr hoher Lichtabsorption und die Anfälligkeit, von starken Lichtquellen “geblendet” zu werden.
Induktive Näherungssensoren
Induktive Näherungssensorennutzen das Prinzip der elektromagnetischen Induktion, um Objekte in ihrer Umgebung zu erkennen. Das Prinzip basiert auf Veränderungen im elektromagnetischen Feld, das um die Sensorspule herum erzeugt wird. Ein elektrischer Strom fließt durch die Spule und dann wird ein elektromagnetisches Feld um sie herum erzeugt.
Wenn sich ein leitfähiges Objekt dem Sensor nähert, findet die erste Interaktion statt und das von der Induktionsspule erzeugte elektromagnetische Feld wirkt auf das Objekt. Die elektromagnetische Induktion erzeugt ein rotierendes Magnetfeld um das Objekt. Wenn sich ein Objekt dem Sensor nähert, ändert sich die Impedanz des elektromagnetischen Feldes um die Spule.
Diese Änderung der Impedanz wird vom Sensor aufgezeichnet. Und da Änderungen im elektromagnetischen Feld von der Elektronik des Sensors interpretiert werden, sind diese Änderungen signifikant genug, um die Anwesenheit eines Objekts zu registrieren, wenn es sich in der Reichweite des Sensors befindet.
Sie haben ungewöhnliche Formen, u. a. für konische oder zylindrische Magnetfelder, und werden häufig zum Aufspüren von metallischen Objekten verwendet, da Metalle ausgezeichnete elektrische Leiter sind und erhebliche Änderungen des Feldes hervorrufen. Sie werden vor allem in der Industrie eingesetzt, um die Anwesenheit oder Abwesenheit von Objekten auf Produktionsbändern zu überwachen, von Ingenieuren, die eine Positionserkennung von Metallteilen benötigen, und von Entwicklern von Sicherheitssystemen, die die Anwesenheit von Eindringlingen oder unerwünschten Objekten erkennen sollen.
Laser-Näherungssensoren
Zurück zur Optik. Ein Laser-Näherungssensor arbeitet nach einem ähnlichen Prinzip wie optische Näherungssensoren, verwendet aber einen Laserstrahl anstelle von normalem Licht. Er erzeugt einen Laserstrahl, der auf das zu messende Objekt gerichtet ist. Der Laserstrahl trifft auf die Oberfläche des Objekts und wird zum Sensor zurückreflektiert. Der Sensor misst die Zeit, die von dem Moment, in dem der Strahl gesendet wird, bis zu dem Moment, in dem er vom Objekt reflektiert wird und zurückkehrt, vergeht. Anhand dieser Zeit und der Lichtgeschwindigkeit, die etwa 299792458 m/s beträgt, berechnet der Sensor die Entfernung zum Objekt mit wirklich beeindruckender Präzision.
Manchmal sind Lasersensoren in der Lage, Messungen durchzuführen, die mehrere Meter oder im Falle fortschrittlicher Geräte sogar mehrere Kilometer weit reichen. Zu der Liste der Industrien im vorigen Absatz können wir hier moderne Entwicklungen in der Automobilindustrie hinzufügen, die Hindernisabstandsmessungen in autonomen Autos, topografische Messungen, Geländekartierung und schließlich die Robotik verwenden, wo präzise Abstandsmessungen für die Roboternavigation entscheidend sind.
Ultraschall-Näherungssensoren
Ultraschallwellen sind Schwingungen mit Frequenzen oberhalb des menschlichen Hörbereichs (>20 kHz), die sich durch Luft oder Flüssigkeiten ausbreiten können. Diese Techniken, die z. B. auf dem Dopplereffekt beruhen, werden zur Messung von Strömungen, zur Erkennung von Objekten, zur Konzentrationsanalyse und zur Abstandsmessung eingesetzt – natürlich ohne physischen Kontakt.
Ultraschall-Sensoren werden daher zur Erkennung einer breiten Palette von Materialien eingesetzt, unabhängig von deren Form, Transparenz oder Farbe. Der Sensor erzeugt einen Ultraschallwellenimpuls, der sich mit einer sehr hohen Frequenz und jenseits des Hörbereichs des menschlichen Ohrs durch die Luft ausbreitet. Eine Abwandlung des vorherigen Sensortyps ist eine Ultraschallwelle anstelle von Licht – sie trifft auf ein Objekt, wird zum Sensor zurückreflektiert und der Sensor misst die verstrichene Zeit ab dem Zeitpunkt, an dem der Impuls gesendet, vom Objekt reflektiert und zurückgesendet wird.
Dabei hilft die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallwelle in der Luft, die unter normalen Bedingungen konstant bei etwa 343 Metern pro Sekunde liegt. Man findet sie zum Beispiel in Autos, wo sie beim Einparken helfen, Kollisionen zu vermeiden, indem sie Objekte in der Umgebung des Fahrzeugs erkennen, bei der Messung des Flüssigkeitsstands in Wasser- oder Kraftstofftanks oder in medizinischen Ultraschallgeräten.
Kapazitive Näherungssensoren
Und nicht zuletzt. Ein kapazitiver Sensor besteht aus zwei Elektroden: einer Sensorelektrode und einer zweiten Masseelektrode. Die Elektroden bilden einen Kondensator, und eine Änderung des Abstands zwischen ihnen beeinflusst die Kapazität dieses Kondensators. Wenn sich ein Objekt dem Sensor nähert, ändert sich die Kapazität des Kondensators. Je näher das Objekt ist, desto größer ist die Veränderung der Kapazität. Diese Kapazitätsänderung wird gemessen und in ein elektrisches Signal umgewandelt. Die Elektronik im Sensor misst Kapazitätsänderungen und wandelt sie in ein Ausgangssignal um, das zur Bestimmung der Entfernung zwischen dem Sensor und dem Objekt verwendet werden kann.
Auswahl des Näherungssensors
Sie haben es erraten: Es gibt keine endgültige Antwort auf die Frage, welche Sensoren am besten sind, und die Wahl hängt von der jeweiligen Anwendung und den Anforderungen ab. Wir haben jedoch einige Szenarien zusammengestellt.
- Optische Sensoren – schnelle und präzise Erkennung vor allem in der Qualitätskontrolle, bei Sicherheitssystemen und in der industriellen Automatisierung.
- Induktive Sensoren – Erkennung in der Industrie, z.B. Zugangskontrolle, Sortierung, Anwesenheit von Metallteilen auf Produktionsbändern.
- Lasersensoren – hochpräzise und weitreichend, Navigation, Feldmessungen.
- Ultraschallsensoren – wo sich Hindernisse auf verschiedenen Oberflächen befinden können, Amateur- und professionelle mobile Robotik.
- Kapazitive Sensoren – Kontrolle von Türbewegungen, Überwachung der Anwesenheit von Objekten, Zugangskontrolle.
