Berührungslos zum exakten Ergebnis (PDF, 724 KB)

Sensorik, Mess- und Prüftechnik | Sensoren
Berührungslos zum exakten Ergebnis
Von Johann Salzberger, Micro-Epsilon Messtechnik
Haben Sie noch den Überblick für die Erfassung von Weg und Temperatur? Welcher
Sensortyp ist der richtige, der schnellste, der präziseste, welche Vor- und Nachteile
haben die verschiedenen Prinzipien? K&E bringt Licht ins Dunkel.
ensoren müssen häufig in widrigsten Umgebungen sicher arbeiten.
Sie werden in Öl, bei heißen Dämpfen oder wechselnden
Temperaturen verwendet. Genauso ist es aber möglich, dass
Sensoren an stark vibrierenden Teilen, in starken elektromagnetischen
Feldern verwendet werden oder ein gewisser Abstand zum Objekt nötig
ist. Wichtige Einsatzkriterien sind Genauigkeit und Temperaturstabilität,
Auflösungsvermögen und Grenzfrequenz. Jedes Messprinzip
hat charakteristische Eigenschaften, die in gewissen Situationen als
Vor- oder Nachteil ausgelegt werden können.
Das Prinzip Wirbelstrom
SPEzial
Das Wirbelstromprinzip ist im eigentlichen Sinne dem induktiven
Messverfahren zuzuordnen. Der Effekt zur Messung via Wirbelstrom
beruht auf dem Entzug von Energie aus einem Schwingkreis. Diese
Energie ist zur Induktion von Wirbelströmen in elektrisch leitfähige
Materialien nötig. Hierbei wird eine Spule mit Wechselstrom gespeist,
worauf sich ein Magnetfeld um die Spule ausbildet. Befindet sich
ein elektrisch leitender Gegenstand in diesem Magnetfeld, entste-
62 Konstruktion & Entwicklung 07 | 2009
Moderne
Infrarotsensoren
werden
immer häufigerverwendet,
da sie
berührungslos
und sehr
schnell arbeiten.
hen darin – gemäß dem faradayschen
Induktionsgesetz – Wirbelströme. Das
Eigenfeld dieser Wirbelströme wirkt
entsprechend der Lenz’schen Regel
dem Feld der Spule entgegen, was eine
Änderung der Spulenimpedanz nach
sich zieht. Diese abstandsabhängige
Impedanzänderung lässt sich durch
Amplitudenänderung der Sensorspule
als messbare Größe am Controller abgreifen.
Das Verfahren ist bei allen elektrisch
leitenden Materialien einsetzbar.
Da Wirbelströme Isolatoren ungehindert
durchdringen, können sogar Metalle
hinter einer isolierenden Schicht
als Messobjekt dienen.
Dennoch unterliegen Wirbelstromsensoren
einigen Einschränkungen in der
Anwendung. Das Ausgangssignal ist von

den elektrischen und magnetischen Eigenschaften des Messobjektes
abhängig. Für jede Applikation ist daher beispielsweise eine individuelle
Linearisierung und Kalibrierung notwendig. Diese besondere
Linearisierung verhilft den eddyNCDT Sensoren von Micro-Epsilon
zu einer hohen Auflösung von wenigen Nanometern. Zu beachten ist,
dass mit steigendem Messbereich auch die Sensorgröße wächst und
damit auch der Messfleck.
Das kapazitive Messprinzip
Beim kapazitiven Messprinzip agieren Sensor und Messobjekt wie ein
idealer Plattenkondensator. Durchfließt ein Wechselstrom konstanter
Frequenz den Sensorkondensator, so ist die Amplitude der Wechselspannung
am Sensor dem Abstand zum Messobjekt (Masse-Elektrode)
proportional. Durch den Aufbau der Sensoren als Schutzringkondensatoren
erreicht man in der Realität nahezu eine ideale Linearitätskennlinie.
Für eine konstante Messung ist jedoch eine gleichbleibende
Dielektrizitäts-Konstante zwischen Sensor und Messobjekt die Prämisse,
das System reagiert äußerst empfindlich auf Änderungen des
Dielektrikums im Messspalt. Da thermisch bedingte Leitfähigkeitsänderungen
keinen Einfluss auf die Messung haben, ist das Prinzip auch
bei starken Temperaturschwankungen stabil. Die kapazitiven Sensoren
capaNCDT zählen laut Hersteller zu den präzisesten überhaupt. Es
werden Auflösungen von weniger als einem Nanometer erzielt. Bei
kapazitiven Sensoren ist immer auf eine saubere Umgebung zu achten.
Wie auch bei Wirbelstromsensoren steigen die Sensordimensionen
mit dem Messbereich und damit die Messfleckgröße.
Das Prinzip der lasertriangulation
Eine Laserdiode emittiert einen Laserstrahl, der auf das Messobjekt
gerichtet ist. Die dort reflektierte Strahlung wird über eine Optik entweder
auf eine CCD- / CMOS-Zeile oder auf ein PSD-Element abgebildet.
Aus der Lage des Lichtpunktes auf dem Empfangselement wird der
Abstand des Objekts zum Sensor berechnet. Die Daten werden, je nach
Ausführung, über den externen oder internen Controller ausgewertet
und über verschiedene Schnittstellen ausgegeben. Analoge Sensoren
arbeiten mit einem PSD-Element, digitale benutzen entweder
ein CCD- oder ein CMOS-Element. PSDs messen die Lichtmenge,
die vom Messobjekt reflektiert wird. Wird die Form des Lichtpunktes
durch Änderungen der Reflexionseigenschaften des Objekts, durch
Verkippung oder das Umgebungslicht geändert, hat dies Auswirkung
auf den gemessenen Wert. Bei digitalen Sensoren werden durch die
Reflexion einzelne Pixel auf der CCD / CMOS Zeile beleuchtet. Aus der
Verteilung der beleuchteten Pixel und dessen Intensitätswerte berechnet
der integrierte Microcontroller mit aufwendigen Algorithmen den
Abstand zum Messobjekt. Umgebungseinflüsse und unterschiedliche
Oberflächeneigenschaften haben daher nur minimalen Einfluss auf das
Messergebnis. Die RTSC (Real Time Surface Compensation) von Micro-
Epsilon passt dabei die Laserleistung in Echtzeit für jeden Messwert an
und sorgt dafür, dass auch bei schnell wechselnden Oberflächeneigenschaften
stabile Messergebnisse erreicht werden. Der Grundabstand
(Strecke von der Unterseite des Sensors zum Messbereichsanfang ist
für heiße oder sich stark bewegende Messobjekte ein unschätzbarer
Vorteil, dass aus größerer Entfernung gemessen werden kann.
Das konfokal-chromatische Messprinzip
Polychromes Licht (Weißlicht) wird, ausgehend von der Lichtquelle in
der Auswerteeinheit, über einen Lichtwellenleiter zum Sensor übertragen.
Die dort befindlichen Linsen sind so angeordnet, dass durch
kontrollierte chromatische Abweichung das Licht in Längsrichtung der
optischen Achse in monochromatische Wellenlängen aufgeteilt wird.
Diese Optik fokussiert das Lichtbündel auf die Messobjektoberfläche.
Abhängig vom Abstand befinden sich damit unterschiedliche Spektralfarben
im Fokus. Im Sensorsystem wird diejenige Lichtwellenlänge
zur Messung herangezogen, die sich exakt
auf dem Messobjekt fokussiert. Das
von diesem Punkt reflektierte Licht wird
über eine optische Anordnung auf ein
lichtempfindliches Sensorelement abgebildet,
auf der die zugehörige Spektralfarbe
erkannt und ausgewertet wird.
Durch eine werkseitige Kalibrierung
wird jeder Wellenlänge ein definierter
Abstandspunkt zugeordnet. Dieses
Prinzip erlaubt eine Messung auf
nahezu allen Oberflächen. Bei transparenten
Materialien kann sogar eine
Dickenmessung mit nur einem Sensor
erfolgen, indem auch das Spektrum der
zweiten Oberfläche interpretiert wird.
Weil die verschiedenen Wellenlängen
des Lichts als Medium verwendet werden,
bietet dieses Verfahren eine extrem
hohe Auflösung im Nanometerbereich.
1
2
3
1 | Mit Wirbelstromsensoren
kann auch durch Kunststoff
gemessen werden
2 | Beim kapazitiven Messprinzip
fungieren Sensor
und Messobjekt als Elektroden
eines Kondensators
3 | Laser-Triangulationssensoren
werden am häufigsten
verwendet. Wichtigste
Vorteile sind der kleine
Messfleck und der große
Grundabstand.
Konstruktion & Entwicklung 07 | 2009 63

Moderne Infrarotsensoren
werden immer häufiger
verwendet,
da sie berührungslos und
sehr schnell arbeiten.
Bilder: Micro-Epsilon
Tabelle: Bei Serienprodukten
realisierte
Daten
SPEzial
Laserschutzmaßnahmen sind nicht erforderlich. Auch hier gilt eine
saubere Umwelt zumindest im Strahlengang als obligatorisch. Einschränkend
gilt für dieses Verfahren die begrenzte Distanz zwischen
Sensor und Messobjekt.
Seilzugsensoren
Seilzugsensoren funktionieren wie ein Maßband, bei dem allerdings
die Weg- bzw. Abstandsinformation nicht mit dem Auge abgelesen,
sondern als elektrisches Signal ausgegeben wird. Die wesentlichen Elemente
sind neben dem Gehäuse, die Feder, die Trommel, das Messseil
und ein Winkelmesser als Sensorelement. Das Messseil wird am zu
messenden Bauteil befestigt und bei einer Bewegung von der Trommel
auf- oder abgewickelt. Dadurch wird die lineare Bewegung in eine
rotatorische konvertiert, die dann vom jeweils verwendeten Winkelsensor
erfasst wird. Verringert sich der Messabstand, wird das Messseil
selbstständig wieder auf die Trommel gewickelt. Die dafür notwendige
Kraft wird von einer vorgespannten Triebfeder bereitgestellt. Diese
Teleskopierbarkeit ist ein wichtiger Vorteil. Die Seilspannung ist dabei
so groß, dass auch bei waagrechter Montage der Seildurchhang minimiert
und das Messergebnis kaum beeinflusst wird. Seilzugsensoren
bieten einen sehr kleine Bauform im Vergleich zum Messbereich und
sind durch die eingesetzten Bauteile sehr robust ausgeführt. Ganz entscheidend
ist der schnelle und einfache Einbau der Sensoren, gepaart
mit ihrer Flexibilität hinsichtlich Messbereiche und Anschlussmöglichkeiten.
Aufgrund der Verwendung verschleißbehafteter Bauteile
wie Potentiometern und Seilen ist die Lebensdauer begrenzt.
induktive Sensoren
64 Konstruktion & Entwicklung 07 | 2009
Sensorik, Mess- und Prüftechnik | Sensoren
Der induktive Sensor bedient sich des LVDT Prinzips (Linear Variabler
Differential Transformer) und besteht aus einer primären und zwei
sekundären Spulen mit einem gemeinsamen, beweglichen weichmagnetischen/ferromagnetischen
Magnetkern. Ein Oszillator regt die
Primärspule mittels Wechselstrom konstanter
Frequenz an. Daraufhin werden
Spannungen in die beiden sekundären
Spulen induziert, deren Amplituden
von der Position des Kerns abhängen.
Eine Bewegung des Kerns erzeugt eine
steigende Amplitude in einer Sekundärspule
bzw. eine fallende Amplitude
in der anderen Sekundärspule. Die
Differenz zwischen den beiden Sekundärspannungen
ist proportional dem
Weg. Bekannte und geschätzte Vorteile
der induktiven Wegsensoren sind Robustheit,
da das Gehäuse vollständig in
Metall ausgeführt werden kann, sowie
Zuverlässigkeit bei rauen Bedingungen,
hohe Signalgüte und Temperaturstabilität.
Die Bandbreite ist auf etwa 300 Hz
begrenzt und damit sind diese Sensoren
eher nicht für schnelle Prozesse zu
bevorzugen. Der Spulenkern ist immer
metallisch, weshalb sich magnetische
Einflüsse auf das Messergebnis auswirken.
laser-Distanz Sensoren
Hinter den Laser-Distanz Sensoren
verbergen sich bei Micro-Epsilon zwei
Messprinzipien. Beim Time-of-Flight
Prinzip werden kurze Laserimpulse
hoher Amplitude zum Messobjekt gesendet.
Dabei wird die Zeit gemessen,
die der Lichtimpuls benötigt, um das
Messobjekt zu erreichen und zurück
zum Empfänger zu gelangen. Die benötigte
Zeit lässt präzise auf den Abstand
schließen. Schnelle Messungen bei großen
Abständen sind damit möglich. Das
zweite Prinzip funktioniert nach dem
Phasen-Vergleichs-Verfahren. Kontinuierliche
Lasersignale mit geringer
Amplitude werden zum Messobjekt
gesendet. Je nach Entfernung des Objekts
verändert der Abstand die Phasenbeziehung
zwischen gesendeten und
empfangenen Signal. Sensoren dieses
Prinzips arbeiten mit hoher Genauigkeit
bei mittleren Messabständen. Beste
Ergebnisse werden mit diesen Sensoren
auf diffus reflektierende Oberflächen
erzielt. Für eine Erweiterung des Abstandes
kann auch eine spezielle Reflektortafel
verwendet werden. Trotz
der hohen Messbereiche bieten diese
Sensoren eine hohe Genauigkeit. Durch

das optische Messverfahren muss eine Sichtverbindung zwischen
Messobjekt und Sensor bestehen. Sie können durch starken Lichteinfall
aus der Umgebung sowie Rauch, starken Regen und Nebel
beeinflusst werden.
Temperatur messen per infrarot
IR-Sensoren unterscheiden sich im grundlegenden Aufbau kaum. Bedeutender
Bestandteil für Auflösung und Messfleckgröße bei bestimmtem
Abstand ist die IR-Linse, welche die Strahlen auf den IR Detektor
bündelt. Sie legt auch fest, in welchem Verhältnis die Messfleckgröße
zum Abstand zum Sensor steht. Das Detektorelement ist das Herzstück
des Sensors. Dafür existieren drei physikalisch unterschiedliche
Elemente. Für die Wandlung der Strahlung in elektrische Energie ist
entweder ein Bolometer, ein Thermopile oder ein Quantendetektor
verantwortlich. Anschließend folgt ein Verstärkermodul und ein AD-
Wandler. Je nach Sensor folgt dann weitere Elektronik, um das Signal
zu bearbeiten oder zu stabilisieren. Bei den Sensoren wird generell
zwischen Handgeräten und stationär einsetzbare unterschieden.
Handgeräte eignen sich sehr gut für schnelle und sporadische Messungen
auf Objekte. Sie können zu verschiedenen Objekten mitgenommen
werden, Messwerte speichern und sie später für Dokumentationszwecke
ausgeben. Sie werden häufig für Wartungs- und Kontrollarbeiten
verwendet. In diesem Bereich gibt es verschiedene Leistungsklassen.
Die Geräte decken einen Messbereich zwischen -35°C und 900°C ab. Es
existieren verschiedene Möglichkeiten den Messfleck durch Laser zu
markieren. Stationäre Sensoren für den industriellen Einsatz existieren
mit Messbereiche zwischen -50°C und 1800°C. Den richtigen Sensor
für eine Anwendung bestimmen mehrere Faktoren, unter anderem
sind dies: der Messbereich, das Material und die Größe des Objekts,
die Umgebungstemperatur und der Abstand vom Objekt zum Sensor.
Das Angebot gliedert sich in universelle Sensoren für gängige Aufgaben
bzw. high-end Sensoren mit einem Laservisier zur Ausrichtung auf das
Messobjekt. Auch Miniatursensoren mit integriertem Controller für
Serienanwendungen werden angeboten.
Die richtige auswahl treffen
Da für die Vielzahl der verschiedenen Anwendungen auch unzählig
verschiedene Randbedingungen gelten, gibt es keinen Sensor, der für
alle Anwendungen geeignet ist. Alle Verfahren bieten verschiedene
Vorteile und Einschränkungen. Zur Auswahl des richtigen Sensors für
eine spezielle Messaufgabe muss sich der Anwender unter anderem
folgende Fragen stellen:
W Welche Genauigkeit wird benötigt?
W Aus welchem Material besteht das Messobjekt?
W Wie ist die Oberfläche ausgebildet?
W Wie schnell bewegt sich das Objekt?
W Bei welcher Umgebungstemperatur wird der Sensor verwendet?
W Ist die Umgebungstemperatur statisch oder ändert sie sich laufend?
W Was genau soll gemessen werden? Weg, Winkel, Krümmung usw.
W In welchem Medium wird der Sensor eingesetzt?
W Können mechanische Belastungen auftreten?
W Welcher Messbereich wird benötigt?
Diese Liste obligatorischer Fragen ist nur eine Auswahl der möglichen
Kriterien, die bei einer Sensorwahl helfen. Für die Entscheidung für
den richtigen Sensor ist immer ein Spezialist in Sachen Messtechnik zu
Rate zu ziehen, da nur er alle Einflusskriterien abwägen und eine Entscheidung
für eine optimale Sensorwahl treffen kann. Selbstverständlich
ist es hilfreich, wenn vom Anbieter viele verschiedene Prinzipien
vertreten werden, da damit auch die Auswahl und die Möglichkeit für
eine passende Sensorwahl steigt.
MEhr infoS: www.micro-epsilon.de