Fiber-optische sensoren

Wat is een fiber-optische sensor?

Een fiber-optische sensor is een optische detectiesensor waarbij licht via een glas- of kunststofvezel naar het daadwerkelijke detectiepunt wordt geleid.

De elektronica bevindt zich meestal niet in de kleine sensorkop zelf, maar in een afzonderlijke fiber amplifier of versterkerunit.

Hierdoor kan de meetkop zeer compact worden uitgevoerd.

Andere gebruikte benamingen zijn:

• fiber sensor;
• fiber optic sensor;
• glasvezelsensor;
• fiber-optische detectiesensor;
• fiber proximity sensor.

Deze technologie wordt vooral toegepast wanneer standaard optische sensoren mechanisch te groot zijn of wanneer het detectiepunt zich in een moeilijk bereikbare omgeving bevindt.

Hoe werkt een fiber-optische sensor?

Een fiber-optische sensor bestaat doorgaans uit twee delen:

• een fiber of glasvezelkabel;
• een optische versterker.

De versterker genereert het licht en verwerkt het terugontvangen signaal.

Via de fiber wordt het licht naar het daadwerkelijke detectiepunt geleid.

Afhankelijk van de uitvoering kan de sensor werken volgens een reflecterend principe of met afzonderlijke zender- en ontvangerfibers.

De fiber zelf bevat weinig of geen complexe elektronica. Hierdoor kan de detectiekop zeer klein blijven.

Fiber-optische sensor met externe versterker

De externe versterker is een belangrijk onderdeel van het systeem.

Hier bevinden zich functies zoals:

• lichtbron;
• signaalverwerking;
• gevoeligheidsinstelling;
• teach-in;
• PNP- of NPN-uitgang;
• Light-ON / Dark-ON;
• timers;
• responstijdinstellingen;
• diagnose.

Doordat de versterker op afstand van het detectiepunt kan worden gemonteerd, kan deze op een goed bereikbare plaats in de machine worden geplaatst terwijl alleen de compacte fiber naar de daadwerkelijke detectiezone loopt.

Waar worden fiber-optische sensoren toegepast?

Fiber-optische sensoren worden onder andere toegepast voor:

• kleine productdetectie;
• componentdetectie;
• teltoepassingen;
• snelle productielijnen;
• detectie in kleine openingen;
• randdetectie;
• positionering;
• elektronica-assemblage;
• verpakkingsmachines;
• pick-and-place-systemen;
• machinebouw.

Ze zijn vooral interessant wanneer compacte montage en hoge detectiesnelheid samen belangrijk zijn.

Kleine objecten detecteren

Een van de belangrijkste voordelen van fiber-optische sensoren is de mogelijkheid om zeer kleine objecten te detecteren.

De fiberkop kan veel kleiner worden uitgevoerd dan een volledige foto-elektrische sensor.

Hierdoor kunnen fibers worden gebruikt voor bijvoorbeeld:

• kleine elektronische componenten;
• connectorpennen;
• fijne mechanische onderdelen;
• kleine schroeven;
• dunne producten;
• kleine openingen;
• productranden.

Voor dergelijke toepassingen is de diameter van de lichtbundel en de geometrie van de fiberkop belangrijk.

Fiber-optische sensor voor beperkte inbouwruimte

In compacte machines is vaak weinig ruimte beschikbaar voor sensoren.

Een normale optische sensor bevat zowel optiek als elektronica in de behuizing en heeft daardoor een bepaalde minimale afmeting.

Bij een fiber-optisch systeem kan alleen een kleine vezelkop bij het object worden gemonteerd.

Dit maakt fiber sensors geschikt voor:

• compacte assemblagemachines;
• gereedschappen;
• kleine machineopeningen;
• nauw geplaatste componenten;
• complexe mechanische constructies.

Fiber sensor voor snelle productdetectie

Fiber-optische sensoren kunnen worden gecombineerd met zeer snelle versterkers.

Hierdoor zijn ze interessant voor:

• high-speed packaging;
• producttelling;
• snelle transportbanden;
• kleine producten met korte tussenafstand;
• elektronica-assemblage.

Bij dergelijke toepassingen is niet alleen de fiber belangrijk, maar vooral ook de responstijd van de amplifier.

Een kleine fiber met een trage versterker is niet automatisch geschikt voor een snelle toepassing.

Reflecterende fiber-optische sensor

Bij een reflecterende fiber bevinden zend- en ontvangstvezels zich aan dezelfde zijde van het object.

Het licht wordt naar het object gestuurd en een gedeelte van het gereflecteerde licht keert via de fiber terug naar de versterker.

Dit principe is interessant wanneer:

• montage maar aan één zijde mogelijk is;
• het object voldoende licht reflecteert;
• compacte detectie nodig is.

De praktische detectieafstand kan worden beïnvloed door kleur, oppervlak en reflectiviteit van het object.

Through-beam fiber sensor

Bij een through-beam fiber-optische sensor worden zender en ontvanger tegenover elkaar geplaatst.

Het object wordt gedetecteerd zodra het de lichtbundel tussen beide fibers onderbreekt.

Dit principe biedt vaak een zeer betrouwbare detectie en is interessant voor:

• zeer kleine objecten;
• snelle producttelling;
• duidelijke aanwezigheidscontrole;
• toepassingen waarbij productkleur minder invloed mag hebben.

Het nadeel is dat montage aan beide zijden van het detectiegebied nodig is.

Reflecterend of through-beam?

Globaal kan het volgende onderscheid worden gemaakt:

De uiteindelijke keuze hangt af van object, ruimte, snelheid en detectieafstand.

Fiber-optische sensor bij hoge temperatuur

Een belangrijk voordeel van sommige fiberuitvoeringen is dat het detectiepunt in een omgeving kan worden geplaatst waar conventionele elektronica minder geschikt is.

Afhankelijk van de gebruikte fiber kunnen speciale uitvoeringen beschikbaar zijn voor verhoogde temperaturen.

Dit kan interessant zijn bij bijvoorbeeld:

• ovens;
• hete machinezones;
• verwarmde processen;
• kunststofverwerking;
• materiaalbewerking.

Belangrijk is dat zowel het vezelmateriaal als de mantel en sensorkop geschikt zijn voor de betreffende temperatuur.

De externe versterker kan vervolgens buiten de hete zone worden geplaatst.

Fiber sensor in agressieve omgeving

Omdat de elektronica op afstand kan worden gemonteerd, kunnen fiber-optische systemen ook voordelen bieden in bepaalde agressieve of moeilijk bereikbare omgevingen.

Bij sensorselectie moet echter altijd worden gecontroleerd of:

• vezelmateriaal;
• mantel;
• sensorkop;
• lijmverbindingen;
• afdichting;

geschikt zijn voor de gebruikte chemicaliën, olie, vocht of reinigingsmiddelen.

Niet iedere standaardfiber is automatisch chemisch resistent.

Buigradius van een fiber

Een belangrijk mechanisch aandachtspunt is de minimale buigradius.

Een fiber kan beschadigd raken of lichtverlies vertonen wanneer deze te scherp wordt gebogen.

Bij installatie moet daarom rekening worden gehouden met:

• minimale buigradius;
• kabelloop;
• bewegende delen;
• trekbelasting;
• beschikbare ruimte.

Voor zeer compacte machines bestaan afhankelijk van fabrikant en serie ook flexibele fibers die een kleinere buigradius toelaten.

Fiberlengte en lichtverlies

Ook de lengte van de fiber kan invloed hebben op het beschikbare optische signaal.

Bij langere vezels kan meer lichtverlies optreden.

Daarom moet bij selectie rekening worden gehouden met:

• fiberlengte;
• detectieafstand;
• benodigde gevoeligheid;
• type versterker;
• gebruikte fiberconstructie.

De combinatie van fiber en amplifier moet als één systeem worden beoordeeld.

Responstijd en versterkerinstellingen

De daadwerkelijke prestaties van een fiber-optische sensor worden sterk bepaald door de versterker.

Veel versterkers bieden verschillende modi waarbij een compromis bestaat tussen:

• maximale gevoeligheid;
• detectieafstand;
• responstijd.

Een snelle modus kan bijvoorbeeld nodig zijn voor producttelling, terwijl een gevoeligere modus beter geschikt kan zijn voor een zwak gereflecteerd signaal.

Daarom moet niet alleen de fiber, maar ook de instellingen van de amplifier op de toepassing worden afgestemd.

Teach-in en gevoeligheidsinstelling

Moderne fiber amplifiers beschikken vaak over teach-in of digitale instellingen.

Hiermee kan de schakeldrempel worden afgestemd op:

• het object;
• de achtergrond;
• de hoeveelheid ontvangen licht;
• procesvariaties.

Dit kan helpen om de detectie stabieler te maken wanneer kleine verschillen tussen producten voorkomen.

Afhankelijk van de amplifier kan ook automatische optimalisatie beschikbaar zijn.

PNP of NPN fiber amplifier

De elektrische uitgang bevindt zich doorgaans op de versterker.

Veel gebruikte uitvoeringen zijn:

• PNP;
• NPN;
• NO;
• NC;
• Light-ON;
• Dark-ON.

Bij retrofit moet daarom niet alleen het type fiber worden gecontroleerd, maar ook het type versterker en de aansluiting op de PLC.

Een mechanisch passende fiber is niet automatisch compatibel met iedere amplifier.

Fiber-optische sensor of standaard optische sensor?

Een optische sensor bevat de optiek en elektronica meestal samen in één behuizing.

Dit is vaak eenvoudiger wanneer voldoende montageruimte beschikbaar is.

Een fiber-optische sensor biedt vooral voordelen wanneer:

• weinig ruimte beschikbaar is;
• zeer kleine objecten moeten worden gedetecteerd;
• de elektronica niet bij het detectiepunt kan worden geplaatst;
• speciale mechanische sensorkoppen nodig zijn;
• hoge snelheid gewenst is.

Voor standaard objectdetectie is een gewone optische sensor vaak eenvoudiger en economischer.

Fiber-optische sensor of laser sensor?

Een laser sensor biedt eveneens een kleine en scherp gedefinieerde lichtspot.

Laser is interessant wanneer:

• een kleine spot nodig is;
• een grotere werkafstand gewenst is;
• zeer nauwkeurig op één plaats moet worden gedetecteerd.

Fiber-optische sensoren bieden vooral voordelen bij extreem compacte montage of complexe mechanische inbouw.

Welke oplossing beter is hangt daarom sterk af van de machineconstructie.

Fiber-optische sensor of vorksensor?

Voor kleine producten, labels en randen kan ook een vorksensor interessant zijn.

Een vorksensor heeft zender en ontvanger al mechanisch tegenover elkaar in één behuizing geplaatst.

Dit maakt installatie eenvoudig en reproduceerbaar.

Een fiber-optische oplossing is flexibeler wanneer de mechanische vorm van de toepassing geen standaard vorksensor toelaat.

Detectie van kleine gaten en openingen

Fiber sensors kunnen ook worden toegepast om zeer kleine gaten, sleuven of openingen te controleren.

Door de compacte lichtspot kan worden vastgesteld of:

• een opening aanwezig is;
• een product correct gepositioneerd is;
• een klein mechanisch detail aanwezig is;
• een onderdeel correct geassembleerd is.

Voor dergelijke toepassingen zijn vorm en diameter van de fiberkop belangrijk.

Randdetectie met fiber sensors

Fiber-optische sensoren kunnen worden gebruikt voor eenvoudige rand- of kantdetectie.

Hierbij wordt bijvoorbeeld gedetecteerd wanneer een productrand de lichtbundel bereikt.

Wanneer daarentegen de exacte continue positie van een materiaalrand nodig is voor baanregeling, is een edge sensor geschikter.

Dit onderscheid voorkomt dat een eenvoudige schakelsensor wordt toegepast voor een toepassing die eigenlijk een analoge of continue positie-informatie nodig heeft.

Waar moet je op letten bij het kiezen van een fiber-optische sensor?

Belangrijke selectiecriteria zijn:

• reflecterende of through-beam uitvoering;
• diameter van de sensorkop;
• detectieafstand;
• objectgrootte;
• lichtspot;
• fiberlengte;
• minimale buigradius;
• omgevingstemperatuur;
• chemische bestendigheid;
• benodigde responstijd;
• gebruikte amplifier;
• PNP of NPN;
• Light-ON / Dark-ON;
• montagemogelijkheden.

Fiber en versterker moeten daarbij altijd als gecombineerd detectiesysteem worden beoordeeld.

Fiber-optische sensor vervangen

Een bestaande fiber-optische sensor vervangen vraagt extra aandacht omdat er meestal twee componenten betrokken zijn: de fiber en de amplifier.

Bij Indusen vergelijken we onder andere:

• fabrikant;
• typenummer fiber;
• typenummer versterker;
• reflecterend of through-beam;
• sensorkop;
• fiberdiameter;
• lengte;
• buigradius;
• temperatuurbereik;
• detectieafstand;
• type versterker;
• uitgang;
• responstijd;
• aansluiting.

Hiermee kan worden bepaald of een alternatief technisch in de bestaande machine kan worden geïntegreerd.

Het is daarom belangrijk om bij een vervangingsaanvraag indien mogelijk zowel het typenummer van de fiber als van de versterker door te geven.

Bekijk hiervoor ook onze pagina over retrofit & vervanging.

Fiber-optische sensoren voor machinebouw en automatisering

Indusen ondersteunt machinebouwers, OEM's en industriële eindgebruikers bij het selecteren en vervangen van fiber-optische sensoren voor compacte en snelle objectdetectie.

Voor een nieuwe toepassing ontvangen wij bij voorkeur:

• wat er gedetecteerd moet worden;
• grootte van het object;
• beschikbare inbouwruimte;
• detectieafstand;
• gewenste snelheid;
• temperatuur bij het detectiepunt;
• gewenste uitgang.

Heb je al een bestaand systeem? Stuur dan het typenummer van de fiber, de versterker en indien mogelijk foto's van de montage.

Wij vergelijken de technische mogelijkheden en zoeken naar een passende oplossing.

Bekijk ook onze detectiesensoren voor andere detectieprincipes en onze sensoroplossingen voor complete industriële detectievraagstukken.