Lichtschranke

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Eine Lichtschranke ist ein elektronisch-optisches System, das die Unterbrechung eines Lichtstrahls erkennt. Auf diese Weise können automatische Vorrichtungen bewegliche Objekte berührungslos detektieren. Zum Beispiel können Hindernisse bei selbsttätig schließenden Türen erkannt werden oder Eindringlinge durch Alarmanlagen.

Funktionsweise[Bearbeiten]

Lichtschranken bestehen aus einer Lichtstrahlenquelle (dem Sender) und einem Sensor (dem Empfänger) für diese Strahlung.

Als Lichtquelle kommen häufig Leuchtdioden mit einer Wellenlänge von 660 nm (sichtbares rotes Licht) oder 880–940 nm (Infrarotbereich) zum Einsatz. Infrarotlicht hat den Vorteil, auf dunklen Materialien eine höhere Reichweite zu erzielen. Auch ist es unsichtbar. Der Vorteil beim Rotlicht besteht in der einfacheren Einstellung des Sensorsystems durch den sichtbaren Lichtfleck. Für besonders präzise Anwendungen (Kleinteileerkennung, hohe Wiederholgenauigkeit) wird i. d. R. rotes Licht aus einer Laserdiode eingesetzt. Der Empfänger ist meist ein Phototransistor, lichtempfindlicher Widerstand oder eine Fotodiode.

Das Funktionsprinzip einer Lichtschranke besteht darin, die durch ein Objekt hervorgerufene Änderung der Lichtintensität mit dem Sensor zu registrieren und in elektrische Signale umzuwandeln, die zur weiteren Verarbeitung geeignet sind.

Um eine Lichtschranke unempfindlich gegenüber Fremdlicht zu machen, wird die Strahlung, insbesondere bei weitreichenden Modellen, moduliert, um sie vom Umgebungslicht unterscheiden zu können. Zusätzlich kann ein dem menschlichen Auge fast schwarz erscheinendes Infrarotfilter vor dem Empfänger angebracht sein, um höherfrequentes Licht, etwa den sichtbaren Anteil des Tageslicht abzuschirmen.

Um die Reichweite zu erhöhen, sind meist Sender und Empfänger mit einem optisch bündelnden System, etwa einer Sammellinse, versehen. Diese wird an Leuchtdioden durch die halbkugelige Frontseite des zylindrischen (ca. 2 bis 7 mm Durchmesser, plus Bund) Vergusses aus transparentem Kunststoff gebildet, der den Halbleiter porenfrei einbettet und dabei auch die 2 Anschlussdrähte fixiert. Alternativ werden Phototransistoren in ein Seitenlicht ausblendendes zylindrisches Blechgehäuse montiert in dessen kreisförmige Öffnung eine kleine Linse aus Kunststoff oder Glas definiert eingepresst wird. Oft bestehen die Gehäuse von kleinen Sendern und Empfängern ganz aus dem schwarzen nur für IR durchsichtigen Kunststoff.

Um eine elektrische Zuleitung an einen zweiten Ort einzusparen, werden Sender und Empfänger häufig nahe beinander doch optisch getrennt in einem Gehäuse integriert und werden zur Ausbildung der Lichtschranke genau auf einen Retroreflektor gerichtet, der meist aus Würfelecken an der Rückseite einer Kunststoffplatte gebildet wird.

Zum Justieren der Richtung des Senderstrahls können zwei Stellschrauben dienen. In Dunkelheit kann ein Blatt Papier als Schirm zum Sichtbarmachen des Auftreffbereichs des Strahls dienen, wenn ausreichend sichtbares Rot enthalten ist. Hilfreich sind Messgerät am Empfängerausgang oder eine Indikatoranzeige, etwa eine LED oder Pieps am Sensor. Sind Sender und Empfänger in einer Baueinheit wird die Justage vereinfacht.

Frühe Computermäuse (ähnlich auch Trackballs) funktionierten mit zwei Reibräder, die Horizontal- und Vertikalbewegung über eine schwere Kugel getrennt aufnahmen und an zwei Sektorenräder mit 2 cm Durchmesser übertrugen. Jedes Sektorenrad ragte in den 3 mm schmalen Spalt einer Gabellichtschranke, mit je zwei Strahlen, um nicht nur den Wechsel der Abschattung durch die rundum etwa 30 Speichen zu detektieren, sondern über eine Logikschaltung auch die Drehrichtung des Rads.

Die Etagenstopppositionen von Gebäudeaufzügen werden häufig durch Gabellichtschranken gesteuert, die am Fahrkorb montiert sind und die Position von Blechstücken abtasten, die im Aufzugsschacht zum Justieren verschieblich auf einem gepannten Paar Drähten sitzen.

Bauarten[Bearbeiten]

Man unterscheidet hauptsächlich die Bauarten Einweg-Lichtschranke, Reflex-Lichtschranke und Lichtgitter.

Einweg-Lichtschranke[Bearbeiten]

Reflexkoppler und Gabelkoppler (IR-Strahlwege sind in magenta dargestellt)

Bei Einweglichtschranken stehen sich Sender und Empfänger gegenüber. Dazu zählen auch Gabelkoppler bzw. Gabellichtschranken, bei denen Sender und Empfänger im Abstand von 3–120 mm zueinander bereits vormontiert sind. Sind Sender und Empfänger in getrennten Gehäusen, müssen sie bei der Montage zueinander ausgerichtet montiert werden. Einweglichtschranken haben von allen Bauarten die größte Reichweite (bis zu 80 m)[1].

Reflex-Lichtschranke[Bearbeiten]

Sender und Empfänger befinden hier sich parallel zueinander in einem gemeinsamen Gehäuse. Das Lichtsignal wird über einen Reflektor zurückgeworfen.

Kleine Reflexlichtschranken werden auch als Reflexkoppler bezeichnet, sie arbeiten oft mit auf bewegten Teilen angebrachten reflektierenden, selbstklebenden Folienmarken.

Die Versionen mit Reflektor unterscheiden sich noch hinsichtlich der Verwendung eines Polarisationsfilters. Versionen mit Polarisationsfilter arbeiten nur mit einem Retroreflektor bzw. Rückstrahler, nicht jedoch mit einer glatten Spiegelfläche. Eine solche wird als Unterbrechung erkannt; das schafft zusätzliche Sicherheit, da z. B. so auch ein blanker Metallgegenstand sicher als Unterbrechung erkannt wird. Die Verwendung von Retroreflektoren und Reflexlichtschranken vereinfacht deren Montage erheblich, da geringerer Verkabelungsaufwand erforderlich ist und keine genaue Ausrichtung des Reflektors zur Lichtschranke erfolgen muss.

Reflex-Lichttaster[Bearbeiten]

Das Lichtsignal wird bei diesen über das zu detektierende Objekt selbst zurückgeworfen. Der Schaltabstand ist deshalb von den Reflexionseigenschaften der Objektoberfläche abhängig. Sender und Empfänger befinden sich auch hier parallel zueinander in einem gemeinsamen Gehäuse.

Neben den rein energetisch arbeitenden Reflexionslichttastern haben vor allem die Reflexionslichttaster mit Hintergrundausblendung große praktische Bedeutung, da sie in der Lage sind, dunkle Objekte vor hellem Hintergrund zu erkennen. Sind sie darüber hinaus zur Entfernungsbestimmung in der Lage, heißen sie Abstandssensor - sie arbeiten dann meist nach dem Prinzip der Triangulation und enthalten eine positionsempfindliche Photodiode (PSD) statt des Phototransistors. Mit diesen können Reflexlichttaster aufgebaut werden, die verschiedene Objekte (z. B. auf einem Transportband) voneinander unterscheiden können. Es gibt auch Abstandssensoren mit Schaltfunktion, die nach dem Prinzip der Lichtlaufzeitmessung arbeiten. Sie erreichen eine größere Reichweite als Reflex-Lichttaster (bis 75 m)[2]. siehe Abstandsmessung (optisch)

Lichtgitter[Bearbeiten]

Neben den einfachen Versionen mit nur einem Lichtstrahl gibt es auch sogenannte Lichtgitter oder Lichtvorhänge, die mit mehreren parallelen Lichtstrahlen arbeiten. Mit diesen kann eine große Fläche überwacht werden, z. B. der Zugang zu einer Maschine oder einem alarmgesicherten Raum. Mit einem Lichtgitter werden Öffnungen von Gebäudelift-Fahrkörben viel besser abgesichert als mit einer einzelnen Lichtschranke in Knöchelhöhe, wie es bis 1970 noch Standard war.

Faseroptische Lichtschranke[Bearbeiten]

Auch gibt es faseroptische Sensoren, bei denen Optik und Elektronik separat angeordnet und mittels Lichtleiter verbunden sind. Sie werden zum Beispiel bei beengten Einbauverhältnissen eingesetzt. Einweg- und Reflexlichtschranken sind möglich.

Anwendungsgebiete[Bearbeiten]

Zerschossene Glühlampe, die Auslösung der Kamera erfolgte über eine Reflexionlichtschranke die vor der Mündung einer Softair-Pistole montiert war
  • Alarmanlagen (Lichtvorhänge)
  • Äußere Gebäudeabsicherung (Lichtschranken)
  • Messung von Kundenströmen, Kundenfrequenzmessung
  • Automatisierungstechnik, Verpackungs- und Lebensmittelindustrie und Fertigungstechnik: Lageerkennung, Objekterkennung, Zählen, Positionserkennung (Einweg- und Reflexlichtschranken)
  • Drehgeber, z. B. in Computer-Mäusen, an Servomotoren und zur Drehzahlmessung (Gabelkoppler)
  • Rauchmelder (wertet nicht die Unterbrechung des Lichtstrahls aus, sondern registriert Streulicht von Aerosolen)
  • Sanitärbereich: automatische Spülung von Urinalen (Lichttaster)
  • Personenschutz bei gefährlichen Maschinen (Lichtvorhänge)
  • Sport: Zeitnahme (Einweglichtschranke)
  • Aufzüge: Türüberwachung und Positionsüberwachung (Reflexlichtschranke mit Retroreflektor)
  • Überwachung/Steuerung von Garageneinfahrten und -türen sowie Rolltoren (Einweglichtschranke, Reflexlichtschranke mit Retroreflektor)
  • Positionserkennung in elektronischen Geräten (Videorecorder, CD- und DVD-Spieler): Abtastung des Löschschutzes von Kassetten, Endschalter u. a. der CD-Schublade und Lageerkennung und Überwachung einer Vielzahl anderer Hebel und Motoren (meist Gabelkoppler, auch Reflexkoppler).
  • Waschanlagen und Waschstraßen für PKW, LKW, Straßenbahn, Bus und Züge
  • Autotandem-Melkstände (Melkstand)

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Infrarot-, Rotlichtsensoren von ifm
  2. Laser-, Distanzsensoren von ifm