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NIR- vs. SWIR-Sensoren - Definition, Abgrenzungen, Einsatzbereiche
Inhaltsverzeichnis
Was ist ein NIR-/SWIR- Sensor? Definitionen und Abgrenzungen
Der Begriff „NIR” steht für Nah-Infra-Rot und der verwandte Begriff „SWIR“ („short wave infrared, also Kurzwellen-Infra-Rot) werden in der industriellen Praxis oft unterschiedlich verwendet – gemeint ist damit meist der gesamte Wellenlängenbereich zwischen sichtbarem Licht (VIS) und mittlerem Infrarot (MIR).
In der Sensortechnik allerdings lohnt sich innerhalb dieses Bereichs eine genauere Unterscheidung, da unterschiedliche Teilbereiche für sehr unterschiedliche Anwendungen genutzt werden: einfache Anwesenheitserkennung auf der einen Seite, materialspezifische Analyse auf der anderen.
Dieser Artikel ordnet die Begriffe NIR und SWIR sauber ein, erklärt die jeweiligen Funktionsprinzipien und zeigt, welche Anwendungen in welchem Wellenlängenbereich zum Einsatz kommen.
Der Wellenlängenbereich: von VIS bis MIR
Zur Orientierung lässt sich der relevante Bereich in vier Abschnitte gliedern:
- VIS (sichtbares Licht): der für das menschliche Auge wahrnehmbare Bereich – der Bezugspunkt, ab dem die folgenden Bereiche beginnen
- NIR im engeren Sinn: direkt anschließend an VIS, bis etwa 1,2 µm
- SWIR (Short Wave Infrared): oberhalb von ca. 1,2 µm
- MIR (mittleres Infrarot): schließt an SWIR an, mit noch längeren Wellenlängen
In der Praxis wird oft vereinfachend „NIR” für den gesamten Bereich zwischen VIS und MIR gesagt. Für ein genaues Verständnis der jeweiligen Anwendungen unterscheiden wir auf dieser Seite bewusst zwischen NIR (bis ca. 1,2 µm) und SWIR (oberhalb von 1,2 µm) – da sich die beiden Bereiche in ihrem Funktionsprinzip und ihrem industriellen Einsatz deutlich unterscheiden.
NIR im engeren Sinn (bis ca. 1,2 µm): Anwesenheitserkennung
Im Bereich bis etwa 1,2 µm werden vor allem klassische und faseroptische Fotosensoren eingesetzt, die außerhalb des sichtbaren Lichts arbeiten. Diese Sensoren nutzen den Wellenlängenbereich nicht, um Material zu identifizieren, sondern um zuverlässig zu erkennen, ob ein Objekt an einer bestimmten Position vorhanden ist – unabhängig von Umgebungslicht im sichtbaren Bereich.
Klassische Fotosensoren
Hierunter fallen alle optischen Sensoren für die Anwesenheitserfassung, die nach dem bekannten Prinzip von Sender und Empfänger (Einweg-Lichtschranke, Reflexionslichttaster, Diffuslaser mit Hintergrundausblendung) arbeiten. Sie werden überall dort eingesetzt, wo eine robuste, etablierte Anwesenheitserfassung mit größerem Messabstand benötigt wird.
Faseroptische Fotosensoren
übertragen das Licht über Lichtwellenleiter zum eigentlichen Messpunkt. Das ermöglicht den Einsatz auch dort, wo die eigentliche Elektronik nicht direkt am Messpunkt platziert werden kann oder soll – etwa bei beengten Platzverhältnissen oder erschwerten Umgebungsbedingungen wie hohen Temperaturen.
Auf sensorikaustria.com fällt in diesen Bereich praktisch die gesamte optoGuard-Produktfamilie (z. B. optoGuard-HT) – mit Ausnahme von SensoWeb Guard-mat, das auf einem anderen, materialspezifischen Funktionsprinzip im SWIR-Bereich beruht (siehe unten).
-> optoGuards: leistungsstarke Sensoren und Sensorsysteme für die Anwesenheitserfassung
SWIR (oberhalb 1,2 µm): Materialspezifische Absorption
Oberhalb von etwa 1,2 µm ändert sich die Funktionsweise grundlegend: In diesem Bereich zeigen viele Moleküle ein charakteristisches, materialspezifisches Absorptionsverhalten: Sie werden durch Licht in bestimmten Wellenlängen (Resonanzwellenlängen) stärker in Schwingung gebracht, als in anderen. Licht in diesen Wellenlängen wird dadurch stärker absorbiert als in anderen – man spricht hier auch von Absorptionsbanden, oder Fingerprint eines Materials.
Ein Sensor im SWIR-Bereich misst nicht mehr nur, ob etwas vorhanden ist, sondern kann – abhängig vom Absorptionsmuster – Rückschlüsse auf die Materialart oder bestimmte Materialeigenschaften ziehen. Diese materialspezifische Absorption – man spricht hier auch von „Material-Fingerprint“ – wird bei Sensorik Austria für zwei grundlegend unterschiedliche Zwecke genutzt:
Materialfeuchtemessung (rund um 1,5 µm oder 1,9 µm)
Wasser zeigt im Bereich um 1,5 µm eine besonders ausgeprägte Absorption. Dieser Effekt wird für die Materialfeuchtemessung genutzt – dank faseroptischen Aufbaus insbesondere in und rund um Trocknungsprozesse, wo die Sensorik den Feuchteentwicklung unmittelbar am Prozess erfassen muss.
Bei Sensorik Austria kommt dieses Prinzip unter anderem in -> SensoWeb „moist“ (Papierbahn) und -> tri²dent „moist“ (Materialfeuchte abseits der Papierindustrie) zum Einsatz.
Materialcharakterisierung in der Inline-Prozessüberwachung
Neben der reinen Feuchtemessung lassen sich materialspezifische Absorptionen im SWIR-Bereich auch für die Erkennung und Unterscheidung von Materialien selbst – man spricht hier auch von „Charakterisierung“ – nutzen.
Typische Anwendungen sind:
- Materialzufuhr-Überwachung: Überwachung, ob in einem Prozess das „richtige“ Material bzw. in der „richtigen“ Qualität zugeführt wird, oder ob dessen „Fingerprint“ über die Zeit konstant bleibt
- Material-Identifizierung bzw. -Unterscheidung: welches der eingelernten Materialien wird aktuell vom Sensor erfasst? Anwendungsfälle sind z.B. die Erkennung ob ein Kunststoffgebinde ein Etikett trägt oder nicht, oder die Abrisserfassung in einer Papiermaschine, wenn Papier und Trockensieb zu unterscheiden ist
- Überwachung der Materialzusammensetzung: Überwachung von Mischungsverhältnissen oder „Rezepturen“
- Materialklassifizierung für innerbetriebliche Recycling-Ströme: Zuordnung und Trennung unterschiedlicher Materialfraktionen im eigenen Produktionskreislauf
- Qualitätssicherung: Kontinuierliche Prüfung, ob das verarbeitete Material einerseits bzw. das entstandene Produkt den geforderten Spezifikationen hinsichtlich „Materialqualität“ entspricht
- Beschichtungsüberwachung: Erkennung, ob eine Beschichtung vorhanden ist, sowie Auswertung von Auflage- bzw. Schichtstärke und Aushärtegrad
In diesen Bereich fallen bei Sensorik Austria die SWIR-Sensoren -> polyIdent sowie die materialsensitiven Papierbahnabrisssensoren -> SensoWeb Guard-„mat“.
High-End-Systeme: Spektrometer, Hyperspectral-Kameras und ortsauflösende Sensorik
Für besonders anspruchsvolle Anwendungen reicht eine Messung an einem einzelnen Punkt oder mit wenigen festen Wellenlängen oft nicht aus. Hier kommen High-End-Systeme zum Einsatz:
- Inline-Spektrometer erfassen ein deutlich breiteres und feiner aufgelöstes Spektrum als SWIR-Sensoren und ermöglichen dadurch eine differenziertere Materialanalyse im laufenden Prozess.
- Hyperspectral-Kameras kombinieren die Bildinformation einer Kamera mit einem vollständigen Spektrum pro Bildpunkt – dadurch lässt sich Materialzusammensetzung nicht nur punktuell, sondern ortsaufgelöst über eine gesamte Fläche darstellen.
- Ortsauflösende Sensorsysteme nutzen diese Information, um Material über die Breite eines Förderbands oder einer Sortierstrecke hinweg zu erfassen und zu klassifizieren – ein typisches Einsatzfeld ist die automatisierte Sortierung in Recyclinganlagen, wo unterschiedliche Materialfraktionen in Echtzeit erkannt und getrennt werden müssen.
Diese High-End-Systeme liefern deutlich mehr Information als einzelne Punktsensoren, sind dafür aber auch meist wesentlich teurer und aufwändiger in Integration und Auswertung – ihr Einsatz lohnt sich vor allem dort, wo Material über eine Fläche hinweg unterschieden oder besonders komplex charakterisiert werden muss.
Dieser Bereich geht über über unser Produktspektrum hinaus. Wenn Sie derartige Lösungen suchen, wenden Sie sich bitte an entsprechende Anbieter.
Vorteile und Grenzen im Überblick
NIR (≤ 1,1 µm) – Anwesenheitserkennung | SWIR (> 1,1 µm) – Materialspezifische Absorption | |
Was wird erkannt? | Ob ein Objekt vorhanden ist | Welches Material bzw. welche Materialeigenschaft vorliegt |
Vorteile | Robust, etabliert, unempfindlich gegenüber VIS-Umgebungslicht | Materialspezifisch, ermöglicht Feuchte- und Zusammensetzungsmessung |
Grenzen | Keine Aussage über Materialart oder -eigenschaften | Kalibrierbedarf, oberflächennahe bzw. materialabhängige Messung |
Typische Systeme | Klassische optische und faseroptische Fotosensoren | Faseroptische SWIR-Sensoren, Spektrometer, Hyperspectral-Kameras |
Ist NIR dasselbe wie SWIR?
Nein. Beide Begriffe werden zwar oft synonym verwendet, Fachleute bezeichnen damit aber unterschiedliche Teilbereiche des Infrarotspektrums. NIR im engeren Sinn reicht bis etwa 1,1 µm und wird vor allem für Anwesenheitserkennung genutzt, während SWIR oberhalb von 1,1 µm liegt und materialspezifische Absorptionen für Feuchte- und Materialanalyse nutzt.
Warum wird der Begriff „NIR" in der Praxis trotzdem oft breiter verwendet?
Umgangssprachlich wird „NIR” häufig für den gesamten Bereich zwischen sichtbarem Licht und mittlerem Infrarot verwendet, da eine trennscharfe Unterscheidung im Alltag oft nicht notwendig ist. Für die technische Auswahl eines Sensorprinzips lohnt sich die genauere Unterscheidung zwischen NIR und SWIR jedoch.
Welches Verfahren eignet sich für reine Anwesenheitserkennung, welches für Materialerkennung?
Für die reine Frage „Ist etwas vorhanden?” genügen klassische oder faseroptische NIR-Fotosensoren. Soll zusätzlich erkannt werden, um welches Material es sich handelt oder wie die Zusammensetzung ist, ist ein SWIR-basiertes, materialspezifisches Messprinzip erforderlich.
Welches Verfahren eignet sich für die Feuchtemessung?
Die Feuchte-, oder genau genommen die Materialfeuchte-Messung, ist im Grunde ein Spezialfall einer SWIR-basierten Konzentrationsmessung, bei dem das Ausmaß des Vorhandenseins des “Materials” Wasser in einem anderen Material ermittelt und quantitativ bewertet wird.
Bietet Sensorik Austria auch Hyperspectral-Kameras an?
Nein, Sensorik Austria bietet aktuell nur Sensoren für 1-Punkt-Messung an.