Welche anderen Technologien werden in Näherungssensoren verwendet?

I. Einführung in die Technologie der Näherungssensoren

Annäherungssensoren sind wichtige Geräte, die dazu dienen, die An- oder Abwesenheit eines Objekts innerhalb eines bestimmten Bereichs ohne physischen Kontakt zu erkennen. Sie arbeiten, indem sie verschiedene Formen von Energie aussenden - wie elektromagnetische Felder, Schallwellen oder Licht - und die Reaktion messen, wenn sich ein Objekt dem Sensor nähert. Die Vielfalt der Technologien für Näherungssensoren ermöglicht ihre Anwendung in zahlreichen Bereichen, darunter industrielle Automatisierung, Robotik, Automobilsysteme und Unterhaltungselektronik.

II. Kapazitive Näherungssensoren

Hauptmerkmale von kapazitiven Näherungssensoren

Kapazitive Näherungssensoren sind vielseitige Geräte, die die Anwesenheit von Objekten ohne physischen Kontakt erkennen. Hier sind ihre wichtigsten Merkmale:

• Erfassungsbereich: In der Regel können kapazitive Sensoren Objekte in einem Bereich von wenigen Millimetern bis zu etwa 25 mm (1 Zoll) erkennen, wobei einige Modelle bis zu 25 mm reichen.
• Material-Empfindlichkeit: Diese Sensoren können sowohl metallische als auch nichtmetallische Materialien wie Flüssigkeiten, Kunststoffe und Glas erkennen, da sie in der Lage sind, Kapazitätsänderungen in Abhängigkeit von der Dielektrizitätskonstante des Zielmaterials zu erfassen.
• Berührungsloser Betrieb: Sie arbeiten berührungslos, was den Verschleiß reduziert und die Lebensdauer des Sensors verlängert.
• Einstellbare Empfindlichkeit: Viele kapazitive Sensoren verfügen über ein Potentiometer zur Einstellung der Empfindlichkeit, mit dem der Benutzer die Erkennungsparameter für bestimmte Anwendungen feinabstimmen kann.
• LED-Anzeigen: Die meisten Modelle sind mit LED-Anzeigen ausgestattet, um den Betriebsstatus des Sensors visuell zu bestätigen.

Arbeitsprinzip

Kapazitive Näherungssensoren funktionieren nach dem Prinzip der Kapazitätsänderungen, die durch nahe gelegene Objekte verursacht werden. So funktionieren sie:

1. Aufbau: Der Sensor besteht aus zwei Metallelektroden, die einen Kondensator bilden. Eine Elektrode ist an einen Oszillatorkreis angeschlossen, während die andere als Referenzplatte dient.
2. Kapazitätsänderung: Wenn sich ein Objekt dem Sensor nähert, tritt es in das zwischen den Elektroden erzeugte elektrische Feld ein. Dadurch ändert sich die Dielektrizitätskonstante zwischen den Platten, was wiederum die Kapazität des Systems verändert.
3. Erkennung von Oszillationen: Die Oszillatorschaltung erkennt diese Kapazitätsänderungen. Wenn sich ein Objekt nähert, erhöht sich die Kapazität, was zu einer Änderung der Schwingungsfrequenz des Schaltkreises führt. Diese Frequenzverschiebung wird von einem Verstärker überwacht und in ein binäres Ausgangssignal umgewandelt, das die Anwesenheit eines Objekts anzeigt.
4. Ausgangssignal: Wenn die Schwingung eine bestimmte Schwellenamplitude erreicht, löst sie eine Änderung des Ausgangszustands des Sensors aus. Bewegt sich das Objekt dagegen weg, nimmt die Amplitude ab und der Ausgang kehrt in seinen ursprünglichen Zustand zurück.
5. Umweltaspekte: Für eine optimale Leistung sollten kapazitive Sensoren in Umgebungen mit stabilen Temperatur- und Feuchtigkeitsniveaus verwendet werden, da Schwankungen ihre Empfindlichkeit und Genauigkeit beeinträchtigen können.

III. Ultraschall-Näherungssensoren

Vorteile von Ultraschall-Näherungssensoren

Ultraschall-Näherungssensoren bieten mehrere Vorteile, die sie für verschiedene Anwendungen geeignet machen:

• Materialunabhängigkeit: Sie können alle Arten von Materialien erkennen, einschließlich glänzender, transparenter und unregelmäßig geformter Objekte, ohne von der Farbe oder Oberflächenstruktur des Objekts beeinflusst zu werden.
• Große Erfassungsreichweite: Ultraschallsensoren können Entfernungen von mehr als 1 Meter messen und sind daher ideal für Anwendungen, die eine große Reichweite erfordern.
• Robuste Leistung unter widrigen Bedingungen: Diese Sensoren werden nicht durch Umwelteinflüsse wie Staub, Regen oder Schnee beeinflusst, die andere Sensortypen behindern können. Ihr Betrieb bleibt auch unter schwierigen Bedingungen zuverlässig.
• Hohe Empfindlichkeit und Genauigkeit: Ultraschallsensoren liefern präzise Messungen und sind in der Lage, kleine Objekte über große Entfernungen zu erkennen.
• Vielseitige Anwendungen: Sie werden in verschiedenen Industriezweigen für Aufgaben wie Füllstandsmessung, Objekterkennung und automatische Prozesssteuerung eingesetzt, was ihre Anpassungsfähigkeit in unterschiedlichen Szenarien beweist.

Mechanismus der Bedienung

Der Funktionsmechanismus von Ultraschall-Näherungssensoren beruht auf der Aussendung und dem Empfang von Hochfrequenz-Schallwellen. So funktionieren sie:

1. Aussendung von Schallwellen: Der Sensor sendet Ultraschallwellen (in der Regel über 20 kHz) in Richtung des Zielobjekts aus.
2. Reflexion: Die Schallwellen breiten sich aus, bis sie auf ein Objekt treffen und zum Sensor zurückgeworfen werden.
3. Zeitmessung: Der Sensor misst die Zeit, die die ausgesendeten Schallwellen nach dem Auftreffen auf das Objekt benötigen, um zurückzukehren. Dieses Zeitintervall ist entscheidend für die Bestimmung der Entfernung zum Objekt.
4. Berechnung der Entfernung: Anhand der Formel Entfernung = (Schallgeschwindigkeit × Zeit) / 2 berechnet der Sensor die Entfernung zum Objekt auf der Grundlage der Schallgeschwindigkeit in der Luft (etwa 343 Meter pro Sekunde bei Raumtemperatur) und der gemessenen Zeit.
5. Erzeugung eines Ausgangssignals: Sobald die Entfernung berechnet ist, erzeugt der Sensor ein Ausgangssignal, das anzeigt, ob sich ein Objekt innerhalb eines vorbestimmten Bereichs befindet. Dies ermöglicht verschiedene Anwendungen, wie z. B. die Auslösung von Alarmen oder die Steuerung von Maschinen.

IV. Magnetische Näherungssensoren

Arten von magnetischen Näherungssensoren

Magnetische Näherungssensoren lassen sich je nach Funktionsprinzip und Anwendung in verschiedene Typen einteilen:

• Reed-Schalter: Dies ist ein magnetisch betätigter Schalter, der aus zwei ferromagnetischen Zungen besteht, die in einer Glaskapsel eingeschlossen sind. Wenn ein Magnetfeld vorhanden ist, kommen die Zungen zusammen und schließen einen Stromkreis.
• Hall-Effekt-Sensor: Nutzt das Hall-Effekt-Prinzip, bei dem eine Spannung über einem Leiter erzeugt wird, wenn dieser einem Magnetfeld ausgesetzt ist. Dieser Sensor erkennt das Vorhandensein von Magneten und liefert ein entsprechendes Ausgangssignal.
• Magnetostriktiver Sensor: Misst die Position eines magnetischen Objekts mit Hilfe des magnetostriktiven Effekts, bei dem Änderungen des Magnetfelds die Eigenschaften eines Materials beeinflussen.
• Magneto-Resistiver Sensor: Funktioniert auf der Grundlage des magnetoresistiven Effekts, bei dem sich der elektrische Widerstand eines ferromagnetischen Materials als Reaktion auf ein äußeres Magnetfeld ändert.
• Induktiver magnetischer Näherungssensor: Ähnlich wie induktive Sensoren, aber speziell für die Erkennung von Magnetfeldern und nicht von metallischen Objekten konzipiert. Sie verwenden eine oszillierende Spule, um ein Magnetfeld zu erzeugen und Änderungen zu erkennen, wenn sich ein Permanentmagnet nähert.

Funktionsweise

Die Funktionsweise von magnetischen Näherungssensoren beruht auf ihrer Fähigkeit, Magnetfelder zu erkennen und entsprechende Ausgangssignale zu liefern. So funktionieren sie:

1. Mechanismus der Erkennung: Magnetische Näherungssensoren erkennen das Vorhandensein von magnetischen Objekten (wie Dauermagneten) durch verschiedene Prinzipien, einschließlich der oben genannten. Jeder Typ hat seine eigene Methode zur Erkennung:
   • Reedschalter schließen Kontakte, wenn sie einem Magnetfeld ausgesetzt sind.
   • Hall-Effekt-Sensoren erzeugen ein Spannungssignal als Reaktion auf nahegelegene Magnete.
   • Magnetostriktive und magnetoresistive Sensoren messen Veränderungen der Materialeigenschaften durch magnetische Einflüsse.
2. Signalverarbeitung: Sobald eine Änderung des Magnetfelds erkannt wird, verarbeitet der Sensor diese Information, um ein Ausgangssignal zu erzeugen. Dieses Signal kann digital (ein/aus) oder analog sein, je nach Anwendung und Sensortyp.
3. Ausgangsaktivierung: Das Ausgangssignal kann verschiedene Aktionen auslösen, z. B. die Aktivierung von Alarmen, die Steuerung von Motoren oder die Bereitstellung von Feedback in automatisierten Systemen. Die Sensoren werden häufig in Anwendungen wie Sicherheitssystemen (für Türen und Fenster), Industrieautomatisierung (Positionserkennung) und Unterhaltungselektronik eingesetzt.
4. Flexibler Einbau: Magnetische Näherungssensoren können bündig oder nicht bündig in verschiedenen Umgebungen installiert werden, auch in solchen mit nichtmagnetischen Materialien wie Kunststoff oder Holz, was eine vielseitige Anwendung in unterschiedlichen Umgebungen ermöglicht.

V. Optische Näherungssensoren （Photoelektrische Sensoren）

Funktionsprinzipien optischer Näherungssensoren

Optische Näherungssensoren arbeiten mit Licht, um die An- oder Abwesenheit von Objekten innerhalb ihres Erfassungsbereichs zu erkennen. Das grundlegende Arbeitsprinzip besteht darin, Licht auszusenden, typischerweise im infraroten oder sichtbaren Spektrum, und das Licht zu messen, das von einem Objekt zurückgeworfen wird. Hier eine Übersicht über ihre Funktionsweise:

1. Lichtausstrahlung: Der Sensor sendet einen Lichtstrahl in Richtung des Zielobjekts aus. Dieses Licht kann von verschiedenen Quellen erzeugt werden, z. B. von LEDs oder Lasern.
2. Erkennung von Reflexionen: Wenn das ausgesendete Licht auf ein Objekt trifft, wird ein Teil des Lichts zum Sensor zurückreflektiert. Die Menge und Intensität dieses reflektierten Lichts hängt von der Entfernung und den Oberflächeneigenschaften des Objekts ab.
3. Signalverarbeitung: Der Empfänger des Sensors erkennt das reflektierte Licht. Wenn die Menge des reflektierten Lichts einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, stellt der Sensor fest, dass ein Objekt vorhanden ist, und erzeugt ein Ausgangssignal (entweder digital oder analog), das die Erkennung anzeigt.
4. Abstandsmessung: Bei einigen fortschrittlichen optischen Sensoren kann die Zeit gemessen werden, die das Licht braucht, um zurückzukehren (im Falle von Lasersensoren), um die genaue Entfernung zum Objekt zu berechnen.

Diese Methode ermöglicht es optischen Näherungssensoren, Objekte berührungslos zu erkennen, wodurch sie sich für verschiedene Anwendungen in der Automatisierung, Sicherheit und Unterhaltungselektronik eignen.

Verschiedene Arten von optischen Näherungssensoren

Optische Näherungssensoren lassen sich aufgrund ihrer Bauweise und ihres Funktionsprinzips in verschiedene Typen einteilen:

• Infrarot (IR)-Sensoren: Diese Sensoren senden Infrarotlicht aus und erkennen Veränderungen in der reflektierten IR-Strahlung. Sie werden häufig in Anwendungen wie automatischen Türen und Sicherheitssystemen eingesetzt.
• Laser-Sensoren: Mit Hilfe von Laserstrahlen bieten diese Sensoren hohe Präzision und eine große Reichweite. Sie werden häufig in industriellen Anwendungen eingesetzt, die genaue Abstandsmessungen erfordern.
• Photoelektrische Sensoren: Sie bestehen aus einer Lichtquelle (in der Regel eine LED) und einem Empfänger. Sie können in verschiedenen Modi arbeiten:
  • Einweglichtschranke: Sender und Empfänger sind einander gegenüber angeordnet; ein Objekt unterbricht den Lichtstrahl.
  • Retroreflektierend: Sender und Empfänger befinden sich auf der gleichen Seite, wobei ein Reflektor das ausgestrahlte Licht zum Empfänger zurückstrahlt.
  • Diffus reflektierend: Sender und Empfänger sind zusammen untergebracht; der Sensor erfasst das von einem Objekt direkt vor ihm reflektierte Licht.
• Lichtlaufzeitsensoren (ToF): Diese fortschrittlichen Sensoren messen die Zeit, die ein Lichtimpuls benötigt, um zu einem Objekt und zurück zu gelangen, und ermöglichen so eine genaue Entfernungsmessung.

VI. Hall-Effekt-Näherungssensoren

Die wichtigsten Vorteile von Hall-Effekt-Näherungssensoren

Hall-Effekt-Näherungssensoren bieten mehrere Vorteile, die sie für verschiedene Anwendungen sehr effektiv machen:

• Berührungslose Erkennung: Diese Sensoren erkennen das Vorhandensein von Magnetfeldern ohne physischen Kontakt, was den Verschleiß im Vergleich zu mechanischen Schaltern verringert.
• Langlebigkeit: Hall-Effekt-Sensoren sind Festkörperbauteile, d. h. sie sind weniger anfällig für mechanische Störungen und können in rauen Umgebungen eingesetzt werden, z. B. bei Staub, Schmutz und Feuchtigkeit.
• Hohe Geschwindigkeit und Empfindlichkeit: Sie können schnell auf Änderungen in Magnetfeldern reagieren und eignen sich daher für Hochgeschwindigkeitsanwendungen wie Motorsteuerung und Positionserfassung.
• Vielseitige Anwendungen: Hall-Effekt-Sensoren können in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, z. B. in Automobilsystemen (z. B. Raddrehzahlsensoren), in der Unterhaltungselektronik (z. B. Smartphones) und in der Industrieautomation (z. B. Näherungssensorik).
• Geringer Stromverbrauch: Diese Sensoren verbrauchen in der Regel weniger Strom als herkömmliche mechanische Schalter, was sie ideal für batteriebetriebene Geräte macht.

Operationelle Theorie

Die Funktionsweise von Hall-Effekt-Näherungssensoren beruht auf dem Hall-Effekt, der die Wechselwirkung zwischen elektrischen Strömen und Magnetfeldern beschreibt. So funktionieren sie:

1. Stromfluss: Ein Hall-Effekt-Sensor besteht aus einem dünnen Streifen aus leitendem Material (dem Hall-Element), durch den ein elektrischer Strom fließt. Dieser Strom erzeugt sein eigenes Magnetfeld.
2. Wechselwirkung mit dem Magnetfeld: Wenn ein äußeres Magnetfeld senkrecht zur Stromrichtung angelegt wird, erfahren die Ladungsträger (Elektronen oder Löcher) im leitenden Material eine Kraft (Lorentzkraft), die sie von ihrer geradlinigen Bahn ablenkt.
3. Spannungserzeugung: Diese Ablenkung führt zu einer Konzentration von Ladungsträgern auf einer Seite des Hall-Elements, wodurch an den gegenüberliegenden Seiten des Streifens eine Spannungsdifferenz entsteht, die als Hall-Spannung bezeichnet wird. Die Höhe dieser Spannung ist proportional zur Stärke des Magnetfelds.
4. Signalausgang: Der Sensor misst diese Hallspannung und wandelt sie in ein Ausgangssignal um. Je nach Ausführung kann dieser Ausgang analog oder digital sein. Bei digitalen Anwendungen kann sich der Sensor beispielsweise ein- oder ausschalten, je nachdem, ob das Magnetfeld einen bestimmten Schwellenwert überschreitet.
5. Arten von Hall-Effekt-Sensoren: Abhängig von ihrer Konfiguration können Hall-Effekt-Sensoren wie folgt klassifiziert werden:
   • Unipolare Sensoren: Werden bei einer Polarität des Magnetfeldes aktiviert.
   • Bipolare Sensoren: Reagieren auf beide Polaritäten.
   • Omnipolare Sensoren: Können entweder durch ein positives oder negatives Magnetfeld aktiviert werden.

VIII. Induktive Näherungssensoren

Merkmale von induktiven Näherungssensoren

Induktive Näherungssensoren sind spezielle Geräte, die in erster Linie für die berührungslose Erkennung von Metallobjekten entwickelt wurden. Hier sind ihre wichtigsten Merkmale:

• Berührungslose Erkennung: Sie können Metallobjekte erkennen, ohne sie berühren zu müssen, was den Verschleiß sowohl des Sensors als auch des zu erkennenden Objekts minimiert.
• Empfindlichkeit gegenüber Metall: Diese Sensoren sind besonders empfindlich für ferromagnetische Materialien (wie Eisen), können aber je nach Ausführung auch Nichteisenmetalle (wie Aluminium und Kupfer) erkennen.
• Erfassungsbereich: Der Erfassungsbereich variiert je nach Größe und Art des Metallobjekts und reicht in der Regel von einigen Millimetern bis zu mehreren Zentimetern.
• Robustheit: Induktive Sensoren sind langlebig und können in rauen Umgebungen eingesetzt werden, z. B. bei Staub, Feuchtigkeit und extremen Temperaturen.
• Hohe Geschwindigkeit: Sie können Zustände schnell umschalten und eignen sich daher für Hochgeschwindigkeitsanwendungen in der Automatisierung und in Fertigungsprozessen.
• Einfache Installation: Induktive Näherungssensoren sind oft einfach zu installieren und in bestehende Systeme zu integrieren, wobei verschiedene Montageoptionen zur Verfügung stehen.

Operationelle Methode

Die Funktionsweise der induktiven Näherungssensoren beruht auf dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion. So funktionieren sie:

1. Oszillator-Schaltung: Der Sensor enthält einen Oszillatorkreis, der an seiner Sensorfläche ein hochfrequentes elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt. Dieses elektromagnetische Feld erstreckt sich auf die Umgebung.
2. Erzeugung von Wirbelströmen: Wenn sich ein metallisches Objekt diesem elektromagnetischen Feld nähert, induziert es Wirbelströme in dem Metall. Diese Ströme fließen aufgrund der elektromagnetischen Induktion innerhalb des Metallobjekts.
3. Amplitudenänderung: Das Vorhandensein dieser Wirbelströme verursacht einen Energieverlust im Schwingkreis, der zu einer Verringerung der Amplitude der Schwingung führt. Je näher das Metallobjekt kommt, desto größer ist der Energieverlust und desto stärker nimmt die Amplitude der Schwingung ab.
4. Signaldetektion: Der Sensor verfügt über eine Amplitudenerkennungsschaltung, die Änderungen des Schwingungszustands überwacht. Wenn die Amplitude aufgrund des Vorhandenseins eines metallischen Objekts unter einen bestimmten Schwellenwert fällt, wird diese Änderung erkannt.
5. Erzeugung eines Ausgangssignals: Der Sensor wandelt diese Erkennung dann in ein Ausgangssignal um (typischerweise ein binäres Signal), das anzeigt, ob ein Objekt vorhanden ist oder nicht. Dieses Ausgangssignal kann verwendet werden, um andere Geräte oder Prozesse in einem Automatisierungssystem auszulösen.

IX. Vergleich verschiedener Technologien für Annäherungssensoren

A. Stärken und Grenzen

Sensor-Typ	Stärken	Beschränkungen
Induktiv	Äußerst zuverlässig bei der Erkennung metallischer Objekte Langlebig und widerstandsfähig gegen raue Bedingungen Schnelle Reaktionszeit	Begrenzt auf metallische Ziele Empfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen
Kapazitiv	Kann sowohl metallische als auch nicht-metallische Objekte erkennen Funktioniert durch nicht-metallische Barrieren Einstellbare Empfindlichkeit	Geringerer Erfassungsbereich im Vergleich zu induktiven Sensoren Beeinflusst durch Umweltfaktoren (Feuchtigkeit, Temperatur)
Ultraschall	Berührungslose Erkennung von verschiedenen Materialien Arbeitet in rauen Umgebungen Großer Erfassungsbereich	Begrenzte Wirksamkeit in einem Vakuum Die Leistung kann durch die Beschaffenheit des Objekts und die Schallabsorption beeinflusst werden.
Fotoelektrisch	Vielseitig mit verschiedenen Konfigurationen (Einweglichtschranke, retroreflektierend) Schnelle Reaktionszeit Kann transparente Objekte erkennen	Komplexe Installation für einige Typen Die Leistung kann je nach Objektfarbe und Reflexionsgrad variieren.
Laser	Hohe Präzision und große Reichweite Geeignet für kleine oder weit entfernte Ziele	Höhere Kosten und höherer Stromverbrauch Sicherheitsbedenken bei Augenexposition Begrenzte Leistung bei transparenten Materialien

B. Geeignete Anwendungen für jede Technologie

Geeignete Anwendungen für jede Technologie

• Induktive Näherungssensoren:
  • Wird häufig in der industriellen Automatisierung zur Erkennung von Metallteilen auf Förderbändern verwendet.
  • Ideal für die Positionserfassung in Maschinen und Anlagen.
• Kapazitive Näherungssensoren:
  • Geeignet für die Erkennung nichtmetallischer Materialien wie Flüssigkeiten, Pulver und Kunststoffe.
  • Sie werden häufig in der Verpackungsindustrie, der Lebensmittelverarbeitung und für Füllstandsmessungen eingesetzt.
• Ultraschall-Näherungssensoren:
  • Effektiv bei Anwendungen, die eine Abstandsmessung erfordern, wie z. B. die Erfassung von Flüssigkeitsständen und die Objekterkennung in der Robotik.
  • Wird in Kfz-Systemen zur Einparkhilfe verwendet.
• Photoelektrische Näherungssensoren:
  • Weit verbreitet in der Verpackung, in Sortiersystemen und im Materialtransport.
  • Geeignet zum Erkennen transparenter Objekte oder zum Zählen von Gegenständen auf einem Förderband.
• Laser-Näherungssensoren:
  • Für Anwendungen, die eine hohe Präzision erfordern, wie z. B. Roboterpositionierung und automatische Prüfsysteme.
  • Häufig in der Logistik zur Messung von Entfernungen oder Abmessungen von Paketen zu finden.

Schlussfolgerung: Die Vielfalt der Technologien zur Näherungserkennung

Die Vielfalt der Technologien für Näherungssensoren spiegelt die unterschiedlichen Anforderungen moderner Automatisierungs- und Steuerungssysteme wider. Jeder Sensortyp verfügt über einzigartige Stärken, die ihn für bestimmte Anwendungen geeignet machen, aber auch über Einschränkungen, die bei der Auswahl berücksichtigt werden müssen. Induktive Sensoren eignen sich hervorragend für die Erkennung von Metallen, während kapazitive Sensoren vielseitig einsetzbar sind. Ultraschallsensoren bieten robuste Entfernungsmessungsfähigkeiten, während fotoelektrische Sensoren wegen ihrer Geschwindigkeit und Anpassungsfähigkeit bevorzugt werden. Lasersensoren zeichnen sich durch ihre Präzision über große Entfernungen aus.

Artikel Quelle:

https://www.ifm.com/de/en/shared/technologies/ultrasonic-sensors/advantages-of-ultrasonic-sensors

https://www.tme.eu/Document/e5f38f78b147f70a1fae36b473781d74/MM-SERIES-EN.PDF