Näherungssensoren: Typen, Funktionsprinzip und Anwendungen

Was sind Näherungssensoren?

Näherungssensoren sind Geräte, die dazu dienen, die Anwesenheit oder Abwesenheit von Objekten innerhalb eines bestimmten Bereichs ohne physischen Kontakt zu erkennen. Näherungssensoren können je nach Typ verschiedene Methoden wie Schall, Licht, Infrarotstrahlung (IR) oder elektromagnetische Felder verwenden, um ein Ziel zu erkennen. Sie werden häufig in verschiedenen Branchen und Anwendungen eingesetzt, darunter Fertigung, Automatisierung, Robotik und Unterhaltungselektronik.

Abbildung 1 Näherungssensoren

NäherungssensorenTypen

Es gibt verschiedene Arten von Näherungssensoren, die in unterschiedlichen Anwendungen eingesetzt werden. Hier sind einige der gebräuchlichsten Typen: Induktive Näherungssensoren: Diese Sensoren erkennen metallische Objekte, indem sie ein elektromagnetisches Feld erzeugen. Wenn ein metallischer Gegenstand in den Erfassungsbereich gerät, verursacht dies eine Änderung des elektromagnetischen Felds, die vom Sensor erkannt wird. Induktive Näherungssensoren werden häufig in der industriellen Automatisierung und Robotik eingesetzt. Später werde ich den induktiven Näherungssensor ausführlich erklären. Kapazitive Näherungssensoren: Kapazitive Sensoren erkennen Objekte anhand von Kapazitätsänderungen. Sie erzeugen ein elektrostatisches Feld und messen die Kapazitätsänderungen, die durch die Anwesenheit eines Gegenstands mit einer anderen Dielektrizitätskonstante verursacht werden. Kapazitive Näherungssensoren können zum Erkennen sowohl metallischer als auch nichtmetallischer Gegenstände verwendet werden und werden häufig in Anwendungen zur Objekterkennung, Füllstandsmessung und berührungsempfindlichen Geräten eingesetzt. Ultraschall-Näherungssensoren: Ultraschallsensoren verwenden Schallwellen mit Frequenzen oberhalb des menschlichen Hörbereichs. Sie senden Ultraschallwellen aus und messen die Zeit, die die Wellen brauchen, um nach dem Auftreffen auf ein Objekt zurückzuprallen. Durch Messung der Flugzeit können sie die Entfernung zum Objekt bestimmen. Ultraschall-Näherungssensoren werden häufig in Anwendungen wie Einparkhilfen, Objekterkennung und Entfernungsmessung eingesetzt. Photoelektrische Näherungssensoren: Photoelektrische Sensoren verwenden Lichtstrahlen, um die Anwesenheit oder Abwesenheit von Objekten zu erkennen. Sie bestehen aus einem Sender, der einen Lichtstrahl aussendet, und einem Empfänger, der das reflektierte Licht erkennt. Wenn ein Objekt in den Sensorbereich eintritt und den Lichtstrahl unterbricht, erkennt der Sensor das Objekt. Photoelektrische Näherungssensoren können weiter in zwei Typen unterteilt werden: Einweg- und Reflexionssensoren. Einweg-Sensoren haben separate Sender- und Empfängereinheiten, während Reflexionssensoren einen Reflektor verwenden, um das Licht zum Empfänger zurückzuwerfen. Magnetische Näherungssensoren: Magnetische Sensoren erkennen das Vorhandensein metallischer Objekte, indem sie Änderungen im Magnetfeld messen. Sie werden häufig in Anwendungen eingesetzt, bei denen die Zielobjekte aus Eisenmaterialien bestehen. Magnetische Näherungssensoren werden häufig in Sicherheitssystemen, Tür- und Fensterpositionserkennung und Geschwindigkeitssensoranwendungen eingesetzt.

Abbildung 2 Näherungssensoren

Funktionsprinzip induktiver NäherungssensorenInduktive Näherungssensorenfunktionieren nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion

Induktive Näherungssensoren funktionieren nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion. Sie bestehen aus einer Spule und einem Oszillator, der ein hochfrequentes elektromagnetisches Feld erzeugt. Wenn ein metallischer Gegenstand in den Erfassungsbereich des Sensors eintritt, interagiert er mit diesem elektromagnetischen Feld, was zu Änderungen der Induktivität der Spule führt. Das Funktionsprinzip induktiver Näherungssensoren kann in den folgenden Schritten zusammengefasst werden: Oszillator: Der Oszillator des Sensors erzeugt einen hochfrequenten Wechselstrom (AC), der durch die Spule fließt. Dadurch entsteht ein elektromagnetisches Feld um die Spule herum. Erfassungsbereich: Das elektromagnetische Feld geht von der Spule aus und bildet einen Erfassungsbereich vor dem Sensor. Die Größe des Erfassungsbereichs hängt vom spezifischen Sensordesign ab und kann von einigen Millimetern bis zu mehreren Zentimetern reichen. Erkennung von metallischen Objekten: Wenn ein metallisches Objekt in den Erfassungsbereich gerät, beeinflusst es das von der Spule erzeugte elektromagnetische Feld. Die Anwesenheit des metallischen Objekts beeinflusst die Induktivität der Spule. Änderung der Induktivität: Die Anwesenheit des metallischen Objekts bewirkt eine Änderung der Induktivität der Spule. Diese Änderung wird von der Schaltung des Sensors erkannt. Auslösen der Ausgabe: Basierend auf der Änderung der Induktivität löst die Schaltung des Sensors die Ausgabe aus. Die Ausgabe kann in Form eines Schalters erfolgen, der seinen Zustand (EIN/AUS) ändert, wenn ein metallisches Objekt erkannt wird, oder in Form eines analogen Signals, das Informationen über die Nähe des Objekts liefert. Es ist wichtig zu beachten, dass induktive Näherungssensoren nur metallische Objekte erkennen können. Nichtmetallische Materialien wie Kunststoff, Holz oder Flüssigkeiten beeinflussen das elektromagnetische Feld nicht wesentlich und werden daher von diesen Sensoren nicht erkannt. Induktive Näherungssensoren werden in verschiedenen industriellen Anwendungen häufig zur Objekterkennung, Anwesenheitserkennung und Automatisierung eingesetzt. Sie bieten berührungslose Erkennung, hohe Zuverlässigkeit und Widerstandsfähigkeit gegenüber rauen Umgebungen, sodass sie für diverse Industrieumgebungen geeignet sind.

Wie funktionieren Näherungssensoren?

Näherungssensoren funktionieren je nach Typ nach unterschiedlichen Prinzipien. Das gemeinsame Ziel aller Näherungssensoren besteht jedoch darin, die Anwesenheit oder Abwesenheit eines Objekts ohne physischen Kontakt zu erkennen. Hier ist ein allgemeiner Überblick über die Funktionsweise von Näherungssensoren: Aussenden eines Signals: Näherungssensoren senden ein Signal aus, beispielsweise elektromagnetische Wellen, Schallwellen oder Lichtstrahlen, je nach Sensortyp. Das ausgesendete Signal erzeugt ein Feld oder einen kegelförmigen Bereich um den Sensor. Interaktion mit einem Objekt: Wenn ein Objekt das Feld betritt oder das Signal unterbricht, interagiert es auf irgendeine Art mit dem Sensor. Die konkrete Interaktion variiert je nach Typ des verwendeten Näherungssensors. Erkennung der Veränderung: Der Näherungssensor erkennt die Veränderung, die durch die Anwesenheit oder Abwesenheit des Objekts verursacht wird. Diese Änderung kann eine Variation der Kapazität, Induktivität, Lichtintensität, Schallreflexion oder eines anderen messbaren Parameters sein. Auslösen der Ausgabe: Sobald die Änderung erkannt wird, löst der Näherungssensor eine Ausgabe aus. Diese Ausgabe kann in Form eines elektrischen Signals, einer Zustandsänderung (EIN/AUS), eines analogen Werts oder eines digitalen Signals erfolgen. Signalverarbeitung: In einigen Fällen kann die Ausgabe des Näherungssensors eine weitere Verarbeitung oder Interpretation erfordern. Dies kann eine Verstärkung, Filterung oder Umwandlung des Signals in ein für die beabsichtigte Anwendung besser nutzbares Format beinhalten. Das spezifische Funktionsprinzip eines Näherungssensors hängt von seinem Typ ab, der unter anderem induktive, kapazitive, Ultraschall-, optische oder magnetische Sensoren umfassen kann. Jeder Typ hat seine eigene Art, Objekte zu erkennen und basierend auf ihrer Nähe eine Ausgabe bereitzustellen. Bei der Auswahl eines Näherungssensors ist es wichtig, die Anwendungsanforderungen zu berücksichtigen. Faktoren wie Erfassungsbereich, Objektmaterial, Umgebungsbedingungen und der erforderliche Ausgabetyp sollten berücksichtigt werden, um die Wirksamkeit des Sensors in der beabsichtigten Anwendung sicherzustellen. Insgesamt bieten Näherungssensoren eine berührungslose und effiziente Möglichkeit, Objekte in verschiedenen Branchen zu erkennen, darunter Fertigung, Automatisierung, Robotik, Automobilbau und Unterhaltungselektronik.  

Wie testet man Näherungssensoren?

Das Testen von Näherungssensoren ist unerlässlich, um ihre ordnungsgemäße Funktion und Genauigkeit sicherzustellen. Hier sind einige gängige Methoden zum Testen von Näherungssensoren: Sichtprüfung: Beginnen Sie mit einer Sichtprüfung des Näherungssensors auf sichtbare Schäden oder lose Verbindungen. Stellen Sie sicher, dass der Sensor sauber und frei von Schmutz oder Hindernissen ist, die seine Leistung beeinträchtigen könnten. Funktionstest: Verwenden Sie ein Objekt, das den Näherungssensor auslösen soll, und bringen Sie es in den angegebenen Erfassungsbereich. Beobachten Sie, ob der Sensor das Objekt erkennt und die gewünschte Ausgabe auslöst, z. B. eine LED-Anzeige oder eine Zustandsänderung (EIN/AUS). Erfassungsbereichstest: Testen Sie den Erfassungsbereich des Näherungssensors, indem Sie ein Objekt schrittweise näher an den Sensor heranführen, bis es die Ausgabe auslöst. Dies hilft bei der Bestimmung der effektiven Reichweite und stellt sicher, dass der Sensor Objekte innerhalb der angegebenen Entfernung erkennen kann. Test der Reaktionszeit: Überprüfen Sie die Reaktionszeit des Näherungssensors, indem Sie ein Objekt vor dem Sensor hin und her bewegen. Beobachten Sie, wie schnell der Sensor die Anwesenheit oder Abwesenheit des Objekts erkennt und die Ausgabe auslöst. Die Reaktionszeit sollte innerhalb der angegebenen Grenzen liegen. Test der Umgebungsbedingungen: Testen Sie den Näherungssensor unter verschiedenen Umgebungsbedingungen, denen er bei seiner vorgesehenen Anwendung ausgesetzt sein kann. Dazu gehören unterschiedliche Lichtverhältnisse, Temperaturbereiche, Luftfeuchtigkeit und elektromagnetische Störungen (EMI). Stellen Sie sicher, dass der Sensor in verschiedenen Umgebungen zuverlässig und genau funktioniert. Kalibrierungstest: Bei einigen Näherungssensoren kann eine Kalibrierung erforderlich sein, um ihre Empfindlichkeit oder ihren Schwellenwert anzupassen. Befolgen Sie die Anweisungen des Herstellers, um den Sensor richtig zu kalibrieren. Dies kann das Anpassen von Potentiometern oder die Verwendung von vom Hersteller bereitgestellten Kalibrierungswerkzeugen umfassen. Vergleichstests: Vergleichen Sie nach Möglichkeit die Messwerte oder Ausgaben des Näherungssensors mit einem bekanntermaßen funktionierenden Sensor desselben Typs. Dies hilft dabei, etwaige Inkonsistenzen oder Leistungsabweichungen zu erkennen. Dokumentation und Einhaltung von Standards: Stellen Sie sicher, dass der Näherungssensor die erforderlichen Standards und Spezifikationen für die vorgesehene Anwendung erfüllt. Informationen zur Einhaltung von Standards, Genauigkeit und Leistungsmerkmalen finden Sie in der Dokumentation oder im Datenblatt des Sensors. Es ist wichtig, die Richtlinien und Spezifikationen des Herstellers zu beachten, um spezifische Testverfahren und Anforderungen für den verwendeten Näherungssensor zu erfahren. Beachten Sie außerdem die Sicherheitsvorkehrungen und Richtlinien beim Testen von Näherungssensoren, insbesondere bei industriellen oder Hochspannungsanwendungen.

NäherungssensorenAnwendungen

Näherungssensoren werden in zahlreichen Branchen und Sektoren eingesetzt, da sie die Anwesenheit oder Abwesenheit von Objekten ohne physischen Kontakt erkennen können. Hier sind einige gängige Anwendungen von Näherungssensoren: Objekterkennung: Näherungssensoren werden häufig zur Objekterkennung in der industriellen Automatisierung und Robotik eingesetzt. Sie können die Anwesenheit oder Abwesenheit von Objekten auf Förderbändern, Fließbändern und Roboterarmen erkennen und ermöglichen so eine präzise Steuerung und Automatisierung von Prozessen. Materialhandhabung: Näherungssensoren spielen eine entscheidende Rolle in Materialhandhabungssystemen wie automatisierten Lagern und Logistik. Sie können die Anwesenheit von Paketen, Paletten oder Containern erkennen und so eine genaue Sortierung, Verfolgung und Bewegung von Materialien gewährleisten. Sicherheitssysteme: Näherungssensoren werden in Sicherheitssystemen verwendet, um die Anwesenheit von Eindringlingen oder unbefugten Personen zu erkennen. Sie können in Zugangskontrollsysteme, Bewegungsmelder und Einbruchsalarme integriert werden, um Alarme auszulösen oder Sicherheitsmaßnahmen zu aktivieren. Automobilanwendungen: Näherungssensoren werden in der Automobilindustrie häufig verwendet. Sie werden in Parkassistenzsystemen, Kollisionsvermeidungssystemen und adaptiven Geschwindigkeitsregelungssystemen eingesetzt, um Hindernisse oder andere Fahrzeuge zu erkennen, den Fahrer zu unterstützen und die Sicherheit zu erhöhen. Näherungsschalter: Näherungssensoren werden häufig als Näherungsschalter in verschiedenen Anwendungen verwendet. Beispielsweise können Werkzeugmaschinen verwendet werden, um die Position beweglicher Teile zu erkennen, wie etwa die Anwesenheit eines Werkstücks oder das Ende eines Hubs. Flüssigkeitsfüllstandsmessung: Kapazitive Näherungssensoren werden häufig zur Flüssigkeitsfüllstandsmessung in Tanks und Containern verwendet. Sie können das Vorhandensein von Flüssigkeiten wie Wasser oder Chemikalien ohne direkten Kontakt erkennen und ermöglichen so eine genaue Überwachung und Kontrolle des Füllstands. Berührungslose Schnittstellen: Näherungssensoren werden in berührungslosen Schnittstellen wie automatischen Türen in öffentlichen Gebäuden, Aufzügen und berührungslosen Wasserhähnen eingesetzt. Sie erkennen die Anwesenheit einer Person oder Handbewegung und lösen die gewünschte Aktion ohne physischen Kontakt aus. Mobilgeräte: Näherungssensoren sind in Mobilgeräten wie Smartphones und Tablets integriert. Sie können die Nähe des Gesichts des Benutzers während eines Anrufs erkennen und den Bildschirm automatisch ausschalten, um versehentliche Berührungen zu verhindern und Strom zu sparen. Robotik: Näherungssensoren werden in Robotikanwendungen verwendet, um die Nähe von Objekten oder anderen Robotern zu erkennen. Sie ermöglichen kollaborativen Robotern (Cobots), sicher neben Menschen zu arbeiten, indem sie deren Anwesenheit erkennen und Kollisionen vermeiden.

Fazit

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Näherungssensoren wichtige Komponenten sind, die in verschiedenen Branchen verwendet werden. Es gibt sie in verschiedenen Typen, wie induktive, kapazitive und fotoelektrische Sensoren, jeder mit seinem eigenen Funktionsprinzip. Diese Sensoren ermöglichen Automatisierung, erhöhen die Sicherheit und verbessern die Effizienz in Anwendungen wie Fertigung, Automobilbau und Sicherheitssystemen. Näherungssensoren bieten berührungslose Erkennung, Genauigkeit und Zuverlässigkeit in rauen Umgebungen. Das Verständnis ihrer Typen, Funktionsprinzipien und Anwendungen hilft Branchen, fundierte Entscheidungen zu treffen. Näherungssensoren spielen in der modernen Technologie weiterhin eine entscheidende Rolle.