RFrftools.io
Sensor

Optischer Näherungssensor Reichweite

Schätzt den Erkennungsbereich des optischen Näherungssensors aus Emitterleistung, Detektorempfindlichkeit und Zielreflektivität.

Loading calculator...

Formel

D_rel = √(P_e × R_d × (R_t/100)) / SF [dimensionless relative factor]

P_e— Emitter power (mW)
R_d— Detector responsivity (A/W)
R_t— Target reflectivity (0–100%) (%)
SF— Safety factor (≥1)

Wie es funktioniert

Optische Näherungssensoren emittieren Licht (typischerweise Infrarot bei 850—950 nm) von einem LED-Emitter und erkennen reflektiertes oder übertragenes Licht mit einer Fotodiode oder einem Fototransistordetektor. Die empfangene optische Leistung folgt einem umgekehrten quadratischen Gesetz: P_Received ∝ P_Emitter × R_Target/d², wobei d die Entfernung zum Ziel und R_Target das Reflexionsvermögen (0—1) ist. Bei einem diffus reflektierenden Sensor erfolgt die Erkennung, wenn die empfangene Leistung den Detektorschwellenwert überschreitet: P_Received > P_Threshold. Der Erfassungsbereich ist daher proportional zu √ (p_Emitter × R_det × R_Target), wobei R_det die Empfindlichkeit des Detektors (A/W) ist. Bei der praktischen Reichweitenschätzung wird ein Sicherheitsfaktor (in der Regel 1,5—2×) berücksichtigt, um Linsenschmutz, LED-Alterung (−30— 50% über die Lebensdauer) und Schwankungen der Zieloberfläche zu berücksichtigen. Sensoren mit Hintergrundausblendung verwenden Triangulation, um ein festes Erkennungsfenster festzulegen, das unempfindlich gegenüber Farb- und Reflexionsgradschwankungen des Zielobjekts ist.

Bearbeitetes Beispiel

Problem: Eine IR-LED emittiert 15 mW. Der Detektor hat eine Empfindlichkeit von 0,65 A/W. Das Ziel ist weißes Papier (90% Reflexionsvermögen). Sicherheitsfaktor = 2. Schätzen Sie den Erfassungsbereich ab. Lösung: 1. Normalisierter Bereich = √ (P_e × R_d × R_t) = √ (15 × 0,65 × 0,9) = √ (8,775) = 2,96 cm 2. Maximaler Erfassungsbereich = 2,96/2 = 1,48 cm ≈ 1,5 cm 3. Wenn das Ziel aus schwarzem Gummi besteht (5% Reflexionsvermögen): Normalisiert = √ (15 × 0,65 × 0,05) = √ (0,4875) = 0,70 cm Maximaler Bereich = 0,70/2 = 0,35 cm Ergebnis: Weißes Papier wurde in einer Entfernung von ~1,5 cm erkannt; schwarzer Gummi in einer Entfernung von ~0,35 cm — eine Reduzierung der Reichweite um das Vierfache.

Praktische Tipps

  • ✓Verwenden Sie einen gepulsten (modulierten) Emitter mit einem Synchrondetektor, um eine 100- bis 1000-mal bessere Umgebungslichtunterdrückung als bei einem System mit DC-Vorspannung zu erzielen.
  • ✓Verwenden Sie für eine präzise Entfernungsmessung anstelle einer einfachen Anwesenheitserkennung einen Triangulationssensor (z. B. Sharp GP2Y0A02) oder einen Flugzeitsensor (z. B. VL53L1X) anstelle eines einfachen reflektierenden Sensors.
  • ✓Montieren Sie den Sender und den Detektor in einem leichten Winkel (5—15°), um die Reflexionsnähe zu gewährleisten, um die Empfindlichkeit zu verbessern und direkte Kreuzkopplungen im Nahbereich zu reduzieren.

Häufige Fehler

  • ✗Unter der Annahme, dass die maximale Nennreichweite mit allen Zielen erreicht werden kann, beziehen sich die Herstellerangaben auf einen weißen Standardreflektor (90% Reflexionsvermögen); dunkle oder absorbierende Ziele reduzieren die Reichweite erheblich.
  • ✗Ignoriert die LED-Alterung — Die Strahlungsintensität von IR-LEDs sinkt während der Nennlebensdauer um 30— 50%. Der Sicherheitsfaktor muss die Leistung am Ende der Lebensdauer berücksichtigen, nicht nur die anfängliche Leistung.
  • ✗Übersehen von Störungen durch Umgebungslicht — grelle Glühlampen oder Sonnenlicht können den Detektor übersättigen und zu Fehlerkennungen führen. Wählen Sie Sensoren mit optischen Filtern und gepulster Modulation, um DC-Umgebungslicht abzuwehren.

Häufig gestellte Fragen

Bei diffusen Sensoren befinden sich Sender und Detektor im selben Gehäuse und detektieren das vom Ziel reflektierte Licht — die Reichweite hängt vom Reflexionsvermögen des Ziels ab. Retroreflektierende Sensoren erkennen Licht, das von einem Würfelreflektor in der Ecke reflektiert wird — größere Reichweite und zielunabhängig. Bei Einwegstrahlsensoren liegen Sender und Detektor einander gegenüber. Die Erkennung erfolgt durch Strahlunterbrechung — die größte Reichweite und die höchste Zuverlässigkeit, erfordert jedoch eine Verkabelung auf beiden Seiten.
Das Reflexionsvermögen variiert stark: weiße, matte Oberflächen 80— 95%, grauer Kunststoff 40— 60%, blankes Aluminium 65— 75% (spiegelnd), schwarzer Gummi 3— 8%. Da die Reichweite mit √ (Reflexionsvermögen) skaliert wird, reduziert ein Objekt, das 10x weniger reflektiert, den Erfassungsbereich um √10 ≈ 3,2×. Vergewissern Sie sich immer anhand des tatsächlichen Zielmaterials und der tatsächlichen Farbe.
Ja, aber es erfordert einen modulierten Emitter und einen optischen Bandpassfilter, der auf die Emitterwellenlänge abgestimmt ist (z. B. 850 nm, 940 nm). Der Synchrondetektor weist DC-Umgebungslicht ab, während er das modulierte Signal durchlässt. Prüfen Sie die Angaben des Herstellers zur Störfestigkeit gegen Umgebungslicht — Industriesensoren sind in der Regel für eine Umgebungstemperatur von 10.000 Lux ausgelegt.

Related Calculators

Sensor

TIA Design

Calculate transimpedance amplifier (TIA) output voltage, bandwidth, and noise for photodiode signal conditioning.

Sensor

Sensor Accuracy

Calculate total sensor system accuracy using RSS and worst-case methods from offset, gain, nonlinearity, resolution, and temperature drift errors.

Sensor

Hall Effect Sensor

Calculate Hall voltage, Hall coefficient, and sensitivity for Hall effect sensors. Useful for magnetic field measurement, current sensing, and position detection.

Sensor

NTC Thermistor

Calculate temperature from NTC thermistor resistance using the Steinhart-Hart beta equation. Useful for PT100/PT1000 and generic NTC thermistors.

Sensor

RTD Temperature

Calculate temperature from PT100 or PT1000 RTD (Resistance Temperature Detector) measured resistance using the linear Callendar-Van Dusen approximation.

Sensor

Wheatstone Bridge

Calculate Wheatstone bridge output voltage, balance condition, and sensitivity. Used for strain gauges, RTDs, and precision resistance measurements.