Erleuchtung mit der Leitung

Lichtleitersensoren – Enge Bauräume oder harte Umweltbedingungen verhindern oft den Einsatz von Standard-Optosensoren. Abhilfe schaffen Lichtleiter.

12. November 2008

In zahlreichen Anwendungen der Automatisierungs- und Montagetechnik können optische Standardkomponenten wie Lichtschranken aufgrund widriger Umgebungsbedingungen nicht zum Einsatz kommen, sei es wegen hoher Temperaturen, geringer Einbaumaße oder wegen schlechter Zugänglichkeit des Einsatzortes. Lösen lässt sich dieses Problem mit Hilfe von Lichtleitersensoren, bei denen die Auswerteelektronik und die optoelektronischen Bauelemente separat angeordnet sind. Damit eignen sie sich zudem auch für explosionsgefährdete Umgebungen.

Die Lichtleitung erfolgt nach dem Prinzip der Totalreflexion des Lichtsignals aus sichtbarem, infrarotem oder ultraviolettem Licht. Die Lichtleiter bestehen aus einem hochtransparenten Kern mit hohem Brechungsindex und einem Mantel mit niederem Brechungsindex.

Der lichtleitende Kern besteht aus Fasern aus hochtransparentem Kunststoff oder Glas mit Durchmessern von etwa 30 bis 100 Mikrometer, wobei die 70- Mikrometer-Faser das optimale Verhältnis zwischen Durchlässigkeit und Flexibilität des Lichtleiters bietet. Die Wahl des Materials hängt ab von den jeweiligen Einsatzbedingungen wie den Temperaturen, den Abständen oder der applikationsspezifischen Sendewellenlänge. Bei Einsätzen in der Industriesensorik ist der Lichtleiter mit einem Lichtleiterverstärker und einem sogenannten Tastkopf verbunden, der das Lichtsignal in ein elektrisches Steuersignal umsetzt, das der Maschinenoder Anlagensteuerung zugeführt werden kann. Der Tastkopf dient zugleich zur mechanischen Befestigung in der Anlage. Die Vielzahl von Anwendungen verlangt deshalb nach einer Vielfalt von Tastköpfen, von koaxialen Lichtleitern zur Positionierung oder Vermessung von Objekten über Zeilen-Arrays zur Kanten- oder Bereichsüberwachung bis zu Lichtleitern mit fokussierter Optik für die Detektion kleinster Bauteile oder transparenter Medien im Reflex- oder Doppellichtbetrieb.

Einsatz in der Praxis

Mit Lichtleitersensoren lassen sich wie mit Kompaktgeräten verschiedene Abtastarten realisieren. Beim Durchlichtbetrieb arbeitet das Lichtwellenleitersystem wie eine Lichtschranke: Sende- und Empfangszweig sind dazu in einem zweiarmigen Lichtleiter realisiert. Durch verschiedene Winkelstellungen der Einzelarme bietet dieses System oft die einzige sichere Abtastlösung für die Automatisierung, etwa bei großen Arbeitsabständen, transparenten Gegenständen oder Flüssigkeiten, bei Gütern mit hohen Temperaturen und glänzenden Oberflächen.

Im Reflexbetrieb dagegen ist der Sende- 3 und Empfangszweig in einem gemeinsamen Faserbündel koaxial angeordnet. Die Tastweite bei diesen Betriebsarten ist weitgehend abhängig von der Sendeleistung des Lichtleiterverstärkers, dem Durchmesser und der Transmission des Faserbündels. An schwierigen Messstellen erleichtern Winkelanordnungen mit um 45 oder 90 Grad gebogenen Tastköpfen die Abfrage des optischen Sensorsystems.

Gebündelte Vielfalt

Außerdem gestatten beliebige Bündelungen von einzelnen Fasern eine große Anzahl von Sonderausführungen. So bietet zum Beispiel die modular aufgebaute Lichtleiterserie Fasop des Uhinger Sensorikspezialisten Eltrotec eine große und flexible Variantenvielfalt an Faserbündeln, verschiedenen Manteltypen und Tastköpfen. Dazu gehören unter anderem Lichtleiter für den Ex-Bereich mit separaten Durchführungen, Hochtemperaturausführungen für Dehnungsmessungen an Turbinen bei Temperaturen bis 600 Grad Celsius, Quarzglastypen für den UV-Bereich, etwa für die Glaserkennung an Glasschneidemaschinen, Mantelausführungen mit erhöhtem Vibrationsschutz für bewegte Lichtleiter in Roboterarmen, Lichtleiter mit separaten Drehübertragern oder Ausführungen mit Spülluftanschluss, um die Bahnkantenregelung im Nassbereich von laufenden Papierbahnen zu überwachen.

Eine erfolgreiche Lösung erfordert jedoch nicht nur geeignete Lichtwellenleiter, sondern ebenso die optimal darauf abgestimmten Lichtleiterverstärker. Eltrotec bietet deshalb zum Beispiel die einfach bedienbaren Teach-In-Versionen der Serien 946, 966 und 989, die mit Kunststofflichtleitern arbeiten und durch ihre sehr kleine Bauweise auf DIN-Schienen-Montage kaskadierbar sind.

Eine Version mit vier Lichtleiter- Eingängen stellt dabei mit Und/ Oder-Verknüpfung aus bis zu vier Abfragestellen ein komplexes Signal der SPS zur Verfügung. Die Mess- und Prüf-Verstärker der Serie CLS-K und IFA werden als Rotlicht-, Infrarotoder UV-Licht-Typen ab einer Wellenlänge vom 280 Nanometer angeboten und ermöglichen Messfrequenzen von vier bis acht Kilohertz bei Auflösungen ab 0,1 Millimeter.

Die Geräte bieten eine variable Verstärkung. Das Ausgangssignal steht als Spannungs- oder Stromwert zur Verfügung. Dazu kommen Versionen mit potenzialfreien Ausgängen, Anzeigedisplays oder Relais-Ausführungen sowie Spezialtypen mit kompensiertem Temperaturgang für Tief- oder Hochtemperaturanwendungen in Schutzart IP 67. Die Geräte ermöglichen Tastweiten von 200 Millimeter und Reichweiten von 2.000 Millimeter im Durchlichtbetrieb.

Anwendungen:

Die Vielzahl von Sensoren und Lichtleitern aus Glas oder Kunststoff ermöglicht eine große Zahl von Applikationen, von der Anwesenheitskontrolle und Lageerkennung von Teilen an Montageautomaten und Zuführsystemen über Prüfaufgaben bis zur Bahnkantenerfassung und Regelung.

Ergänzend zu den Anwendungen in der optischen Sensorik eignen sich Lichtleiter hervorragend für Beleuchtungsaufgaben. Hier bietet Eltrotec eine große Anzahl von Lichtquellen bis hin zu einer LED-Version, die eine Lichtleistung von 10 Megalux zur Verfügung stellt.

Bernd Hendrych, Eltrotec/bt

Erschienen in Ausgabe: 08/2008