Wie funktioniert SWIR-Materialerkennung?

SWIR-Sensoren analysieren das reflektierte Licht organischer Materialien und ermöglichen dadurch eine präzise Unterscheidung von Papier, Holz, Kunststoffen und anderen Stoffen in Echtzeit.

In welchen Branchen wird polyIdent eingesetzt?

polyIdent wird unter anderem in der Papierindustrie, Holzverarbeitung, Lebensmittelproduktion, Kunststoffverarbeitung und im Maschinenbau eingesetzt.

Bis zu welchen Temperaturen arbeiten optoGuard-Sensoren?

optoGuard-Modelle sind für extrem heiße Industrieumgebungen ausgelegt und unterstützen je nach Modell auch ATEX-Zonen.

Wie spart Inline-Feuchtemessung Energie?

Durch Echtzeitregelung von Trocknern wird Über- und Untertrocknung vermieden, was die benötigte Energie im Trocknungsprozess deutlich reduziert.

Materialsensorik in der Prozessüberwachung - Verfahren im Vergleich

Materialsensorik: Aufgabe, Technologien, Abgrenzungen

Materialsensorik beantwortet in der industriellen Praxis eine von mehreren möglichen Fragen:

Aus welchem Material besteht ein Objekt?
Wie ist es zusammengesetzt?
Entspricht es einer Spezifikation?
Und ist es überhaupt vorhanden?

Je nach Material – organisch, metallisch oder mineralisch wie Keramik und Glas – kommen dafür sehr unterschiedliche physikalische Messprinzipien zum Einsatz, die unterschiedlich gut geeignet sind.

Dieser Artikel gibt einen Überblick über die Aufgaben der Materialsensorik, ordnet die wichtigsten Technologien nach Materialgruppen und zeigt, wo die jeweiligen Verfahren an ihre Grenzen stoßen.

Was ist Materialsensorik und welche Aufgaben deckt sie ab?

Materialsensorik umfasst mehrere, klar unterscheidbare Aufgabenstellungen:

Materialidentifikation: Um welche Materialart oder -sorte handelt es sich? (z. B. Kunststofftyp, Metalllegierung, Glasart)
Zusammensetzungsanalyse: Aus welchen Bestandteilen besteht das Material, in welchem Verhältnis? (z. B. Feuchte-, Fett- oder Legierungsanteil)
Qualitäts- und Spezifikationsprüfung: Entspricht das Material den geforderten Eigenschaften?
Anwesenheitserfassung: Ist überhaupt Material vorhanden, unabhängig von dessen genauer Art?

Diese vier Aufgaben werden je nach Materialklasse von unterschiedlichen Technologien unterschiedlich gut gelöst – und nicht jede Technologie eignet sich für jede Materialgruppe gleichermaßen.

Technologien für organische Materialien

Materialerkennung mit SWIR-Sensorik — Kunststoffe

Organische Materialien – Kunststoffe, Papier, Holz, Textilien, Lebensmittel – zeichnen sich durch molekulare Strukturen aus, die sich gezielt spektroskopisch auswerten lassen.

NIR/SWIR- Sensorik/Spektroskopie:

Nutzt die materialspezifische Absorption von Nahinfrarot- bzw. kurzwelligem Infrarotlicht. Besonders geeignet für Kunststoffsortierung, Feuchtemessung und Zusammensetzungsanalyse.

Vorteile: hohe Materialspezifität, berührungslos, etabliertes und inline-fähiges Verfahren.

Nachteile: nur oberflächennahe Messung, empfindlich gegenüber Oberflächenbeschaffenheit und Farbe, Kalibrierbedarf.

Weitere Informationen zu den Sensorik Austria Materialsensoren für organische Materialien finden Sie hier.

Mikrowellenmessung:

Durchdringt das Material vollständig und eignet sich daher besonders für Feuchtemessung bei größerer Materialstärke, etwa bei Schüttgütern oder Baustoffen.

Vorteile: durchdringt das Material vollständig, weitgehend unabhängig von Oberflächenfarbe, robust gegenüber Staub.

Nachteile: geringere Materialspezifität als NIR, aufwendigere Kalibrierung bei stark schwankender Dichte.

Kapazitive Messung:

Erfasst Materialeigenschaften über dielektrische Effekte zwischen zwei Elektroden.

Vorteile: kompakter Aufbau, geringer Wartungsaufwand, kostengünstig.

Nachteile: begrenzte Reichweite, empfindlich gegenüber Materialinhomogenität und Einbauabstand.

Kamerabasierte Farb- und Formerkennung:

Erfasst optische und geometrische Merkmale wie Farbe, Form oder Oberflächenstruktur. Vorteile: erfasst geometrische und optische Merkmale, die andere Verfahren nicht abbilden können, hohe Detailauflösung.

Nachteile: abhängig von Beleuchtung und Sichtverhältnissen, keine Aussage über innere Materialeigenschaften.

Technologien für Metalle

Bei Metallen steht meist die Unterscheidung von Legierungen, die Trennung Metall/Nichtmetall oder die Anwesenheitserfassung unter extremen Temperaturbedingungen im Vordergrund.

Induktive Messung / Wirbelstromverfahren:

Erkennt metallische Objekte über Veränderungen eines elektromagnetischen Felds und kann je nach Ausführung auch zwischen unterschiedlichen Metallarten (z. B. ferromagnetisch vs. nichtferromagnetisch) unterscheiden.

Vorteile: sehr robust gegenüber Staub, Farbe und Beleuchtung, einfache und bewährte Technik.

Nachteile: liefert meist keine Aussage zur genauen Legierungszusammensetzung, nur für metallische Materialien geeignet.

Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA/XRF):

Ermöglicht die genaue Bestimmung der Legierungszusammensetzung, etwa zur Sortierung von Schrott oder zur Qualitätskontrolle von Halbzeugen.

Vorteile: sehr hohe Materialspezifität, liefert konkrete Zusammensetzungswerte statt nur Materialart.

Nachteile: aufwändiger in Integration und Handhabung, für einfache Anwesenheitserfassung meist überdimensioniert.

Optische Anwesenheitserfassung:

Metalle zeichnen sich häufig durch hohe Reflexitivität aus können bei einfachen Fragestellungen zur Materialdifferenzierung unter Umständen mit optischen Verfahren von anderen Materialien durch Intensitätsunterschied unterschieden werden.

Vorteile: einfaches, bewährtes Verfahren.

Nachteile: keine Aussage zu Materialeigenschaften.

Technologien für Keramik und Glas

Keramik und Glas stellen eine eigene Herausforderung dar, da viele optische Standardverfahren bei transparenten oder teiltransparenten Materialien nicht zuverlässig funktionieren.

Optische Verfahren (Reflexions- und Durchlichtprinzip):

Funktionieren bei opaker Keramik meist gut, stoßen bei transparentem oder stark lichtdurchlässigem Glas jedoch schnell an ihre Grenzen, da ein Großteil des Lichts hindurchtritt statt reflektiert zu werden. Verfahren mit ultraviolettem Licht eignen sich bei Glas besser als andere Spektralbereiche.

Vorteile: einfache, bewährte Technik bei opaken Materialien wie Keramik.

Nachteile: bei transparentem oder stark lichtdurchlässigem Glas oft unzuverlässig, keine Aussage zu Materialeigenschaften.

Laser-Triangulation:

Wird zur präzisen Erfassung von Geometrie und Dicke eingesetzt, etwa bei der Glasdickenmessung, und ist auch bei transparenten Materialien einsetzbar.

Vorteile: funktioniert unabhängig von optischer Transparenz, hohe Präzision bei Geometrie- und Dickenmessung.

Nachteile: höherer technischer Aufwand als einfache optische Sensorik, empfindlich gegenüber Verschmutzung der Optik, keine Aussage zu Materialeigenschaften.

Ultraschallmessung:

Eignet sich zur Anwesenheits- und Dickenmessung unabhängig von der optischen Transparenz des Materials.

Vorteile: unabhängig von Transparenz, Farbe oder Lichtverhältnissen.

Nachteile: geringere Genauigkeit bei komplexen Geometrien oder sehr dünnen Materialien, keine Aussage zu Materialeigenschaften.

Farbsensorik:

Wird zur Unterscheidung unterschiedlicher Glasarten (z. B. Klarglas, Grünglas, Braunglas) in der Sortiertechnik eingesetzt.

Vorteile: einfache und schnelle Unterscheidung unterschiedlicher Glasfarben.

Nachteile: keine Aussage über Materialinneres oder strukturelle Defekte, für farblich ähnliche Varianten weniger geeignet.

Verfahren im direkten Vergleich

Materialgruppe	Geeignete Technologien	Besondere Herausforderung
Organische Materialien	NIR/SWIR, Mikrowelle, kapazitiv, Kamera	Oberflächenabhängigkeit, Kalibrierbedarf
Metalle	Induktiv/Wirbelstrom, XRF, optisch (HT-tauglich)	Eigenstrahlung bei hohen Temperaturen, Legierungsvielfalt
Keramik/Glas	Laser-Triangulation, Ultraschall, Farbsensorik	Transparenz erschwert klassische optische Verfahren

Abgrenzungen: Wo Materialsensorik an ihre Grenzen stößt

Anwesenheitserfassung ist nicht gleich Materialerkennung: Ein einfacher Sensor kann erkennen, dass „etwas” vorhanden ist, ohne dass daraus eine Aussage über die Materialart folgt.
Materialidentifikation ersetzt keine exakte Laboranalyse: Für rechtlich bindende oder höchstpräzise Zusammensetzungsangaben bleibt in vielen Fällen eine Laboranalyse notwendig; die Inline-Sensorik liefert prozessfähige, aber keine zertifizierte Analyseergebnisse.
Kalibrierung ist materialspezifisch: Ein auf ein bestimmtes Material kalibriertes System liefert bei einem grundlegend anderen Material ohne Neukalibrierung keine verlässlichen Werte.
Kein Verfahren deckt alle Materialgruppen gleich gut ab: Ein für organische Materialien optimiertes NIR-System eignet sich nicht automatisch für Metalle oder transparentes Glas, und umgekehrt.

Materialsensorik von Sensorik Austria

Je nach Materialgruppe und Anwendung setzt Sensorik Austria unterschiedliche Technologien ein: SWIR-basierte Sensorik für organische Materialien (polyIdent), optische Hochtemperatur-Sensorik für die Metalle (optoGuard-HT – nur Anwesenheitserfassung).

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.