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Wissenswertes zum Thema Distanz-Sensoren 

Was sind Distanzsensoren?

Distanzsensoren kommt unter anderem in Automatisierungsprozessen vielerlei Art zum Einsatz. Mit hoher Präzision messen sie Abstände oder überwachen Entfernungen, Positionen, Füllstände oder Längen. Je nach Gerätetyp liegen die Messbereiche im Bereich weniger Millimeter bis hin zu mehreren hundert Metern. Dank ihrer kompakten Gehäuseform lassen sich Distanzsensoren problemlos in verschiedenste Umgebungen integrieren.


Anwender von Distanzsensoren sind beispielsweise Hersteller von Mess- und Prüfanlagen sowie Förder- und Logistiksystemen für eine Vielzahl an Branchen. Weiterhin werden sie zur Füllstandsmessung und -kontrolle, zur Messung von Stapel- und Objekthöhen, zur Erfassung kleiner Objekte auf große Entfernungen, zur Positionsbestimmung von Regalbediengeräten, Hebebühnen oder Hubtischen etc. eingesetzt.

 

Laser-Sensoren eignen sich für vielfältige Einsatzgebiete. Sie können stehende, bewegte oder vibrierende Objekte vermessen. Auch in schwierigen Umgebungen wie in Roboterfertigungszellen, bei heißen oder glänzenden Oberflächen, bei wechselnden Farben des Messobjekts oder ungünstigen Winkeln zum Laserstrahl liefern Laser-Distanzsensoren präzise Ergebnisse.

Weitere Anwendungsbeispiele sind beispielsweise Einparkhilfen am Kfz, Türöffner, Alarmanlagen, Händetrockner, Teilevermessung, Abstandskontrolle, Dickenmessung, Planaritätsprüfung, Formhaltigkeitsprüfung, Abstandskontrolle, Dickenmessung.

Wie funktionieren Distanzsensoren?

Je nach zu messender Entfernung kommen unterschiedliche Messtechnologien zum Einsatz:

Triangulation

Laser-Distanz-Sensoren, die nach dem Prinzip der Triangulation arbeiten, messen mit hoher Präzision geringe Abstände. Sie lassen sich auch bei sich bewegenden oder vibrierenden Messobjekten einsetzen.

Ein Sensor projiziert mit Hilfe einer Lichtquelle, meist eines Laserstrahles, einen Punkt auf das Messobjekt, dessen Oberfläche das eintreffende Licht reflektiert. Dieses reflektierte Licht trifft abhängig von der Entfernung des Sensors vom Messobjekt in einem bestimmten Winkel auf ein geräteinternes PSD. Über Winkelberechnung wird der Abstand zwischen Messobjekt und Sensor berechnet.

Phasenverschiebung

Das Phasenmessprinzip eignet sich zur genauen Messung größerer Abstände. Hierbei ermittelt man die Entfernung eines Objekts anhand der Phasenverschiebung zwischen einem vom Objekt reflektierten Lichtstrahl und einem Referenzlichtstrahl.

Eine Laserdiode sendet einen sinusförmigen Laserstrahl, der mit einem halbdurchlässigen Spiegel in einen Messlichtstrahl und einen Referenzlichtstrahl aufgeteilt wird. Der Messlichtstrahl wird auf das Objekt gerichtet, von dessen Oberfläche reflektiert und über eine Optik auf das Empfangselement geführt. Der Referenzlichtstrahl wird direkt auf das Empfangselement geleitet. Durch die Lichtlaufzeit des Messlichtstrahls ergibt sich eine Phasenverschiebung zum Referenzlichtstrahl, aus der die Entfernung des Objekts berechnet wird.

Time-of-Flight-Technologie / Lichtlaufzeitverfahren

Distanzsensoren, die nach dem Lichtlaufzeitverfahren, auch Time-of-Flight-Technologie (TOF) genannt, arbeiten, können sehr große Entfernungen bis in den Kilometerbereich messen.
Eine Laserdiode sendet einen gepulsten, niederfrequenten Laserstrahl, der vom Messobjekt oder einem Reflektor, der als Messpunkt eingesetzt wird, reflektiert wird. Der reflektierte Strahl wird auf eine Empfängereinheit geleitet, wo er, abhängig von der zurückgelegten Entfernung, verzögert auftrifft. In der geräteinternen Auswerteeinheit wird über die Lichtgeschwindigkeit und die gemessene Laufzeit des Laserstrahls der Abstand des Messobjekts zum Sensor berechnet.

Einige Geräte messen zusätzlich die Phasenverschiebung, um noch genauere Ergebnisse zu liefern.

Pulse-Ranging-Technologie

Eine Laserdiode sendet extrem kurze, leistungsstarke Lichtimpulse aus, die an der Oberfläche des Messobjekts reflektiert und von einem Empfangselement erfasst werden.
Die diskret ausgesendeten Lichtpulse haben einen vielfach höheren Energieinhalt als der permanent gesendete Laserstrahl bei anderen Messverfahren.

Vorteile der Pulse-Ranging-Technologie ist, dass sie unabhängig von den Umgebungsbedingungen funktioniert, präzise Ergebnisse liefert und störfest in Bezug auf Fremdlicht und Temperaturänderungen ist.

Unser Praxistipp  

Nicht nur Abstände, sondern auch Oberflächenreliefs lassen sich mit Hilfe von Laser-Distanzsensoren vermessen. Dazu können die Sensoren rasterartig oder kontinuierlich über die zu vermessende Oberfläche bewegt werden.

     

Worin unterscheiden sich Distanzsensoren?

Distanz- beziehungsweise Entfernungssensoren unterscheiden sich vor allem in der Größe ihres Messbereichs. Von einem Messbereich im Millimeterbereich bis hin zu großen Entfernungen von mehreren hundert Metern sind passende Geräte für jede Art von Abstandsmessung erhältlich.

Die Messergebnisse werden als analoges, in einigen Fällen als digitales Signal ausgegeben. Einige Geräte verfügen zusätzlich über ein Display, auf dem der ermittelte Abstand angezeigt wird. Es sind Geräte mit verschiedenen Anschlüssen und Ausgängen erhältlich: offene Kabelenden, NPN- oder PNP-Ausgabesensoren und Gegentaktausgänge.

FAQ - Häufig gestellte Fragen zu Distanzsensoren

Wie hoch ist die Messgenauigkeit von Laser-Distanzsensoren? 

Im Allgemeinen liefern Laser-Sensoren Messergebnisse hoher Präzision. Die Genauigkeit der Messergebnisse ist allerdings stark abhängig vom verwendeten Gerätetyp und von der gemessenen Strecke. Die Abweichung liegt bei einigen Geräten im Mikrometerbereich bei kurzen Abständen bis hin zu wenigen Millimetern bis Zentimetern bei größeren Entfernungen. Genauere Angaben finden Sie in der jeweiligen Produktbeschreibung.

Wie lange halten Laser-Abstandssensoren?

Durch die berührungslose Messung arbeitet ein Laser-Distanzsensor verschleißfrei und ist langlebig. Je nach Umgebung, in der das Gerät installiert werden soll, sind Sensoren mit robustem Außengehäuse erhältlich, das gegen Spritzwasser, Temperaturschwankungen und andere Einflüsse schützt und einer langen Lebensdauer zuträglich ist.

PNP oder NPN als Ausgabesensor?

Bei gemeinsamer positiver Spannungsversorgung (+V) wählt man den NPN-Ausgabesensor, bei gemeinsamer negativer Spannungsversorgung (-V) den PNP-Ausgang. Wenn ein NPN/PNP an eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) angeschlossen wird, erkennt deren Eingangsstufe den Zustand des Sensors, dazu muss der Sensor jedoch vom selben Typ sein wie die SPS.

Wie unterscheiden sich Laser-Abstandssensoren von günstigeren Ultraschallsensoren?

Beim Thema Abstandsmessung werden in der Regel optische Sensoren wie Laser-Distanzsensoren bevorzugt, da sie eine höhere Messgenauigkeit aufweisen als Ultraschallsensoren, die in anderen Bereichen zum Einsatz kommen. Ultraschallsensoren senden Ultraschallimpulse aus und werten die zeitliche Verzögerung des zurückkommenden Echos aus. Dieses Verfahren ist störanfälliger und kann z.B. bei Hindernissen, Messungen an Schrägen oder bei Messungen geringer Abstände fehlerhafte Ergebnisse liefern.

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