Sensorauswahl: Erläuterung der Spezifikationen von Lasersensoren
Die Hersteller verwenden viele Begriffe zur Beschreibung der Sensorleistung: Genauigkeit, Auflösung, Wiederholbarkeit oder Reproduzierbarkeit, Linearität usw. Nicht alle Hersteller verwenden die gleichen Spezifikationen, was den Vergleich verschiedener Sensormodelle erschweren kann. Im folgenden Leitfaden werden gängige Sensorspezifikationen erläutert und erörtert, wie sie verwendet werden können, um den richtigen Sensor für Ihre Anwendung zu finden.
Ist Genauigkeit nicht das Wichtigste?
Eine der ersten Spezifikationen, die Sie vielleicht erwarten, ist die Genauigkeit. Die Genauigkeit ist die maximale Differenz zwischen dem gemessenen Wert und dem tatsächlichen Wert; je kleiner die Differenz zwischen dem gemessenen Wert und dem tatsächlichen Wert ist, desto größer ist die Genauigkeit. Eine Genauigkeit von 0,5 mm bedeutet zum Beispiel, dass der Messwert des Sensors innerhalb von ± 0,5 mm vom tatsächlichen Abstand liegt.
Die Genauigkeit ist jedoch oft nicht der wichtigste Wert, der bei industriellen Mess- und Erfassungsanwendungen zu berücksichtigen ist. Lesen Sie weiter, um zu erfahren, warum, und um die wichtigsten Spezifikationen zu erfahren, die je nach Art der Anwendung zu berücksichtigen sind.
Wesentliche Spezifikationen für digitale Anwendungen
Für die diskreten Lasermesssensoren bietet Banner zwei Schlüsselspezifikationen: Wiederholbarkeit und minimaler Objektabstand. Während diese beiden Kriterien für den Vergleich von Produkten für die diskrete Abtastung nützlich sind, ist die minimale Objekttrennung für die Auswahl eines Sensors, der in einer realen Anwendung zuverlässig funktioniert, am wertvollsten.
Wiederholgenauigkeit
Wiederholbarkeit (oder Reproduzierbarkeit) bezieht sich darauf, wie zuverlässig ein Sensor dieselbe Messung unter denselben Bedingungen wiederholen kann. Eine Wiederholgenauigkeit von 0,5 mm bedeutet, dass mehrere Messungen desselben Ziels innerhalb von ± 0,5 mm liegen.
Diese Spezifikation wird von den Sensorherstellern häufig verwendet und kann ein nützlicher Vergleichspunkt sein; es handelt sich jedoch um eine statische Messung, die möglicherweise nicht die Leistung des Sensors in realen Anwendungen wiedergibt.
Die Spezifikationen zur Wiederholgenauigkeit basieren auf der Erfassung eines einfarbigen Objekts, das sich nicht bewegt. Die Spezifikation berücksichtigt nicht die Variabilität des Objekts, wie mikroskopische Veränderungen der Objektoberfläche (Speckle) oder Farb-/Reflexionsübergänge. Diese können jedoch erheblichen Einfluss auf die Sensorleistung haben.
Mindestobjektabstand (MOS)
Minimum Object Separation (MOS) bezeichnet den Mindestabstand, den ein Ziel vom Hintergrund haben muss, um von einem Sensor zuverlässig erkannt zu werden. Ein Mindestobjektabstand von 0,5 mm bedeutet, dass der Sensor ein Objekt erkennen kann, das mindestens 0,5 mm vom Hintergrund entfernt ist.
Der minimale Objektabstand ist die wichtigste und wertvollste Spezifikation für diskrete Anwendungen. Der Grund dafür ist, dass MOS die dynamische Wiederholbarkeit erfasst, indem verschiedene Punkte auf demselben Objekt in derselben Entfernung gemessen werden. Dadurch erhalten Sie eine genauere Vorstellung von der Sensorleistung in realen digitalen Anwendungen mit normaler Objektvariabilität.
Die Bedeutung von MOS in diskreten Anwendungen
In der Abbildung rechts werden Q4X-Sensoren verwendet, um zu erkennen, ob eine Unterlegscheibe in einem Motorblock vorhanden ist. Klicken Sie hier, um mehr über diese Anwendung zu erfahren.
Stellt der Sensor einen geringen Höhenunterschied fest, selbst wenn dieser nur 1 mm beträgt, sendet er ein Signal, um die Bediener darauf hinzuweisen, dass eine Scheibe fehlt oder mehrere Scheiben vorhanden sind.
Die MOS-Spezifikation ist wichtig, um die kleinste feststellbare Veränderung zu bestimmen.
Schlüsselspezifikationen für analoge Anwendungen
Für analoge Anwendungen bietet Banner Spezifikationen zu Auflösung und Linearität. Während die Auflösung die von den Sensorherstellern am häufigsten verwendete Spezifikation ist, ist die Linearität für viele Anwendungen, die konsistente Messungen über den gesamten Bereich des Sensors erfordern, am nützlichsten.
Auflösung
Die Auflösung gibt die kleinste Abstandsänderung an, die ein Sensor erkennen kann. Eine Auflösung von <0,5 mm bedeutet, dass der Sensor Entfernungsveränderungen von 0,5 mm erfassen kann. Diese Angabe entspricht der statischen Wiederholbarkeit im besten Fall, wird aber als absolute Zahl und nicht als +/- ausgedrückt.
Die Schwierigkeit bei den Spezifikationen zur Auflösung besteht darin, dass sie die Auflösung eines Sensors unter „Best-Case“-Bedingungen darstellen. Sie liefern darum kein vollständiges Bild der Sensorleistung in der Praxis und die Sensorleistung wird gelegentlich überbewertet. In typischen Anwendungen wird die Auflösung durch die Bedingungen des Objekts, den Abstand zum Objekt, die Ansprechgeschwindigkeit des Sensors und andere externe Faktoren beeinflusst. Beispielsweise sind glänzende Objekte, Flecken oder Maserung und Farbübergänge für Triangulationssensoren allesamt Fehlerquellen, die die Auflösung beeinflussen können.
Linearität
Linearität bezieht sich darauf, wie sehr sich der Analogausgang eines Sensors einer Geraden über den Messbereich annähert. Je linearer die Messergebnisse des Sensors, desto konsistenter die Messungen in der gesamten Reichweite des Sensors. Eine Linearität von 0,5 mm bedeutet, dass die größte Messvarianz über die Sensorreichweite ± 0,5 mm beträgt.
Mit anderen Worten: Die Linearität ist die maximale Abweichung zwischen einer idealen geradlinigen Messung und der tatsächlichen Messung. Wenn Sie bei analogen Anwendungen die Nah- und Fernpunkte einlernen können, ist die Genauigkeit der Sensoranzeige weniger wichtig als die Linearität der Ausgabe. Denn je linearer, desto mehr zeigt die Ausgabe die korrekte Veränderung entlang einer Messlinie.
Ein Beispiel: Ein Ziel ist 100 mm von zwei Sensoren entfernt, und beide Sensoren sind auf 100 mm und 200 mm eingelernt. Bei 100 mm misst Sensor A 100 mm und Sensor B 110 mm. Bei 200 mm misst Sensor A 200, und Sensor B misst 210. Das Ziel wird dann auf 150 mm von den Sensoren entfernt. Sensor A misst 153 mm, und Sensor B misst 160 mm.
| Tatsächliche Entfernung | Sensor A Anzeige | Sensor B Anzeige |
|---|---|---|
| Tatsächlicher Abstand 100 mm | Sensor A Anzeige 100 mm | Sensor B Anzeige 110 mm |
| Tatsächlicher Abstand 150 mm | Sensor A Anzeige 153 mm | Sensor B Anzeige 160 mm |
| Tatsächlicher Abstand 200 mm | Sensor A Anzeige 200 mm | Sensor B Anzeige 210 mm |
In diesem Fall ist Sensor A genauer weil sie näher an der tatsächlichen Entfernung an jedem Punkt sind. Sensor B ist jedoch linearer , da die Sensormesswerte über den gesamten Sensorbereich konsistent sind.
Die Bedeutung der Linearität in analogen Anwendungen
In der Abbildung rechts wird die Zwei-Punkt-Teach-Option des analogen Lasermesssensors Q4X verwendet, um ein volles (4 mA) und ein leeres (20 mA) Magazin einzulernen. Der Analogausgang sorgt für die Echtzeitmessung der Stapelhöhe.
Je linearer der Sensor ist, desto besser sind die Messungen zwischen einem vollen und einem leeren Magazin. Bei perfekter Linearität wäre die Hälfte des Stapels weg, wenn der Sensor 12 mA liefert.
Temperatureinfluss
Der Temperatureffekt bezieht sich auf die Messabweichung, die aufgrund von Änderungen der Umgebungstemperatur auftritt. Ein Temperatureffekt von 0,5 mm/°C bedeutet, dass der Messwert bei jeder Änderung der Umgebungstemperatur um 0,5 mm variieren kann.
Erwarteter Gesamtfehler
Der Total Expected Error ist die wichtigste Spezifikation für analoge Anwendungen. Dabei handelt es sich um eine ganzheitliche Berechnung, bei der die kombinierte Wirkung von Faktoren wie Linearität, Auflösung und Temperatureffekt geschätzt wird. Da diese Faktoren unabhängig sind, können sie mit der Root-Sum-of-Squares-Methode kombiniert werden, um den erwarteten Gesamtfehler zu berechnen.
Die folgende Grafik ist ein Beispiel für die Berechnung des erwarteten Gesamtfehlers für einen Analogsensor.
Das Ergebnis dieser Berechnungen ist wertvoller als die einzelnen Spezifikationen, da es ein vollständigeres Bild von der Leistung eines Sensors in realen Anwendungen vermittelt.
Banner stellt in seinen Produktdatenblättern die notwendigen Angaben zur Berechnung des Total Expected Error bereit.
Wesentliche Spezifikationen für IO-Link-Anwendungen
Die Wiederholbarkeit, d. h. wie zuverlässig der Sensor dieselbe Messung wiederholen kann, ist eine gängige Spezifikation für IO-Link-Sensoren. Wie bei digitalen Anwendungen ist die Wiederholgenauigkeit jedoch auch bei IO-Link-Anwendungen nicht der einzige oder wichtigste Faktor.
Auch die Genauigkeit wird hier immer wichtiger. Wie bereits erwähnt, ist die Genauigkeit die maximale Differenz zwischen dem tatsächlichen Wert und dem gemessenen Wert. Bei der Verwendung von IO-Link wird der Messwert (Anzeige auf dem Display) direkt an die SPS übermittelt. Daher ist es wichtig, dass der Wert so nahe wie möglich an "wahr" ist.
Der beste Fall für eine IO-Link-Anwendung ist ein Sensor, der sowohl genau als auch wiederholbar ist. Wenn der Sensor zwar wiederholbar, aber nicht genau ist, kann der Benutzer den Offset dennoch über die SPS auskalibrieren.
Bedeutung der Genauigkeit bei IO-Link-Anwendungen
In diesem rechts abgebildeten Anwendungsbeispiel erkennt ein Q4X-Lasermesssensor das Vorhandensein dunkler Einsätze auf einer dunkel gefärbten Autotürverkleidung. Erfahren Sie mehr über diese Anwendung.
Die IO-Link-Prozessdaten zeigen den Abstand zu der Stelle, an der sich der Einsatz befinden sollte, um festzustellen, ob der Einsatz vorhanden ist. Die Messung muss unabhängig von der Zielfarbe genau sein.
Erwarteter Gesamtfehler für IO-Link-Anwendungen
Total Expected Error ist die wichtigste Spezifikation für IO-Link-Anwendungen. Für IO-Link-Sensoren berechnet Banner den Total Expected Error ein wenig anders als für analoge Anwendungen. Bei IO-Link-Sensoren stellt der erwartete Gesamtfehler die kombinierte Wirkung von Genauigkeit, Wiederholbarkeit und Temperatureffekt dar. Da die Faktoren unabhängig sind, können sie mit der Wurzel-Summe-der-Quadrate-Methode kombiniert werden, um den erwarteten Gesamtfehler zu berechnen.
Im Folgenden finden Sie ein Beispiel für die Berechnung dieses Wertes für IO-Link-Sensoren.
Wie beim Total Expected Error für analoge Anwendungen ist das Ergebnis dieser Berechnungen für IO-Link-Anwendungen wertvoller als die einzelnen Spezifikationen, da es ein vollständigeres Bild der Leistung eines Sensors in realen Anwendungen liefert.
Banner stellt in seinen Produktdatenblättern die notwendigen Angaben zur Berechnung des Total Expected Error bereit.