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Sensorik, Mess- und Prüftechnik | Sensoren<br />
<strong>Berührungslos</strong> <strong>zum</strong> <strong>exakten</strong> <strong>Ergebnis</strong><br />
Von Johann Salzberger, Micro-Epsilon Messtechnik<br />
Haben Sie noch den Überblick für die Erfassung von Weg und Temperatur? Welcher<br />
Sensortyp ist der richtige, der schnellste, der präziseste, welche Vor- und Nachteile<br />
haben die verschiedenen Prinzipien? K&E bringt Licht ins Dunkel.<br />
ensoren müssen häufig in widrigsten Umgebungen sicher arbeiten.<br />
Sie werden in Öl, bei heißen Dämpfen oder wechselnden<br />
Temperaturen verwendet. Genauso ist es aber möglich, dass<br />
Sensoren an stark vibrierenden Teilen, in starken elektromagnetischen<br />
Feldern verwendet werden oder ein gewisser Abstand <strong>zum</strong> Objekt nötig<br />
ist. Wichtige Einsatzkriterien sind Genauigkeit und Temperaturstabilität,<br />
Auflösungsvermögen und Grenzfrequenz. Jedes Messprinzip<br />
hat charakteristische Eigenschaften, die in gewissen Situationen als<br />
Vor- oder Nachteil ausgelegt werden können.<br />
Das Prinzip Wirbelstrom<br />
SPEzial<br />
Das Wirbelstromprinzip ist im eigentlichen Sinne dem induktiven<br />
Messverfahren zuzuordnen. Der Effekt zur Messung via Wirbelstrom<br />
beruht auf dem Entzug von Energie aus einem Schwingkreis. Diese<br />
Energie ist zur Induktion von Wirbelströmen in elektrisch leitfähige<br />
Materialien nötig. Hierbei wird eine Spule mit Wechselstrom gespeist,<br />
worauf sich ein Magnetfeld um die Spule ausbildet. Befindet sich<br />
ein elektrisch leitender Gegenstand in diesem Magnetfeld, entste-<br />
62 Konstruktion & Entwicklung 07 | 2009<br />
Moderne<br />
Infrarotsensoren<br />
werden<br />
immer häufigerverwendet,<br />
da sie<br />
berührungslos<br />
und sehr<br />
schnell arbeiten.<br />
hen darin – gemäß dem faradayschen<br />
Induktionsgesetz – Wirbelströme. Das<br />
Eigenfeld dieser Wirbelströme wirkt<br />
entsprechend der Lenz’schen Regel<br />
dem Feld der Spule entgegen, was eine<br />
Änderung der Spulenimpedanz nach<br />
sich zieht. Diese abstandsabhängige<br />
Impedanzänderung lässt sich durch<br />
Amplitudenänderung der Sensorspule<br />
als messbare Größe am Controller abgreifen.<br />
Das Verfahren ist bei allen elektrisch<br />
leitenden Materialien einsetzbar.<br />
Da Wirbelströme Isolatoren ungehindert<br />
durchdringen, können sogar Metalle<br />
hinter einer isolierenden Schicht<br />
als Messobjekt dienen.<br />
Dennoch unterliegen Wirbelstromsensoren<br />
einigen Einschränkungen in der<br />
Anwendung. Das Ausgangssignal ist von
den elektrischen und magnetischen Eigenschaften des Messobjektes<br />
abhängig. Für jede Applikation ist daher beispielsweise eine individuelle<br />
Linearisierung und Kalibrierung notwendig. Diese besondere<br />
Linearisierung verhilft den eddyNCDT Sensoren von Micro-Epsilon<br />
zu einer hohen Auflösung von wenigen Nanometern. Zu beachten ist,<br />
dass mit steigendem Messbereich auch die Sensorgröße wächst und<br />
damit auch der Messfleck.<br />
Das kapazitive Messprinzip<br />
Beim kapazitiven Messprinzip agieren Sensor und Messobjekt wie ein<br />
idealer Plattenkondensator. Durchfließt ein Wechselstrom konstanter<br />
Frequenz den Sensorkondensator, so ist die Amplitude der Wechselspannung<br />
am Sensor dem Abstand <strong>zum</strong> Messobjekt (Masse-Elektrode)<br />
proportional. Durch den Aufbau der Sensoren als Schutzringkondensatoren<br />
erreicht man in der Realität nahezu eine ideale Linearitätskennlinie.<br />
Für eine konstante Messung ist jedoch eine gleichbleibende<br />
Dielektrizitäts-Konstante zwischen Sensor und Messobjekt die Prämisse,<br />
das System reagiert äußerst empfindlich auf Änderungen des<br />
Dielektrikums im Messspalt. Da thermisch bedingte Leitfähigkeitsänderungen<br />
keinen Einfluss auf die Messung haben, ist das Prinzip auch<br />
bei starken Temperaturschwankungen stabil. Die kapazitiven Sensoren<br />
capaNCDT zählen laut Hersteller zu den präzisesten überhaupt. Es<br />
werden Auflösungen von weniger als einem Nanometer erzielt. Bei<br />
kapazitiven Sensoren ist immer auf eine saubere Umgebung zu achten.<br />
Wie auch bei Wirbelstromsensoren steigen die Sensordimensionen<br />
mit dem Messbereich und damit die Messfleckgröße.<br />
Das Prinzip der lasertriangulation<br />
Eine Laserdiode emittiert einen Laserstrahl, der auf das Messobjekt<br />
gerichtet ist. Die dort reflektierte Strahlung wird über eine Optik entweder<br />
auf eine CCD- / CMOS-Zeile oder auf ein PSD-Element abgebildet.<br />
Aus der Lage des Lichtpunktes auf dem Empfangselement wird der<br />
Abstand des Objekts <strong>zum</strong> Sensor berechnet. Die Daten werden, je nach<br />
Ausführung, über den externen oder internen Controller ausgewertet<br />
und über verschiedene Schnittstellen ausgegeben. Analoge Sensoren<br />
arbeiten mit einem PSD-Element, digitale benutzen entweder<br />
ein CCD- oder ein CMOS-Element. PSDs messen die Lichtmenge,<br />
die vom Messobjekt reflektiert wird. Wird die Form des Lichtpunktes<br />
durch Änderungen der Reflexionseigenschaften des Objekts, durch<br />
Verkippung oder das Umgebungslicht geändert, hat dies Auswirkung<br />
auf den gemessenen Wert. Bei digitalen Sensoren werden durch die<br />
Reflexion einzelne Pixel auf der CCD / CMOS Zeile beleuchtet. Aus der<br />
Verteilung der beleuchteten Pixel und dessen Intensitätswerte berechnet<br />
der integrierte Microcontroller mit aufwendigen Algorithmen den<br />
Abstand <strong>zum</strong> Messobjekt. Umgebungseinflüsse und unterschiedliche<br />
Oberflächeneigenschaften haben daher nur minimalen Einfluss auf das<br />
Messergebnis. Die RTSC (Real Time Surface Compensation) von Micro-<br />
Epsilon passt dabei die Laserleistung in Echtzeit für jeden Messwert an<br />
und sorgt dafür, dass auch bei schnell wechselnden Oberflächeneigenschaften<br />
stabile Messergebnisse erreicht werden. Der Grundabstand<br />
(Strecke von der Unterseite des Sensors <strong>zum</strong> Messbereichsanfang ist<br />
für heiße oder sich stark bewegende Messobjekte ein unschätzbarer<br />
Vorteil, dass aus größerer Entfernung gemessen werden kann.<br />
Das konfokal-chromatische Messprinzip<br />
Polychromes Licht (Weißlicht) wird, ausgehend von der Lichtquelle in<br />
der Auswerteeinheit, über einen Lichtwellenleiter <strong>zum</strong> Sensor übertragen.<br />
Die dort befindlichen Linsen sind so angeordnet, dass durch<br />
kontrollierte chromatische Abweichung das Licht in Längsrichtung der<br />
optischen Achse in monochromatische Wellenlängen aufgeteilt wird.<br />
Diese Optik fokussiert das Lichtbündel auf die Messobjektoberfläche.<br />
Abhängig vom Abstand befinden sich damit unterschiedliche Spektralfarben<br />
im Fokus. Im Sensorsystem wird diejenige Lichtwellenlänge<br />
zur Messung herangezogen, die sich exakt<br />
auf dem Messobjekt fokussiert. Das<br />
von diesem Punkt reflektierte Licht wird<br />
über eine optische Anordnung auf ein<br />
lichtempfindliches Sensorelement abgebildet,<br />
auf der die zugehörige Spektralfarbe<br />
erkannt und ausgewertet wird.<br />
Durch eine werkseitige Kalibrierung<br />
wird jeder Wellenlänge ein definierter<br />
Abstandspunkt zugeordnet. Dieses<br />
Prinzip erlaubt eine Messung auf<br />
nahezu allen Oberflächen. Bei transparenten<br />
Materialien kann sogar eine<br />
Dickenmessung mit nur einem Sensor<br />
erfolgen, indem auch das Spektrum der<br />
zweiten Oberfläche interpretiert wird.<br />
Weil die verschiedenen Wellenlängen<br />
des Lichts als Medium verwendet werden,<br />
bietet dieses Verfahren eine extrem<br />
hohe Auflösung im Nanometerbereich.<br />
1<br />
2<br />
3<br />
1 | Mit Wirbelstromsensoren<br />
kann auch durch Kunststoff<br />
gemessen werden<br />
2 | Beim kapazitiven Messprinzip<br />
fungieren Sensor<br />
und Messobjekt als Elektroden<br />
eines Kondensators<br />
3 | Laser-Triangulationssensoren<br />
werden am häufigsten<br />
verwendet. Wichtigste<br />
Vorteile sind der kleine<br />
Messfleck und der große<br />
Grundabstand.<br />
Konstruktion & Entwicklung 07 | 2009 63
Moderne Infrarotsensoren<br />
werden immer häufiger<br />
verwendet,<br />
da sie berührungslos und<br />
sehr schnell arbeiten.<br />
Bilder: Micro-Epsilon<br />
Tabelle: Bei Serienprodukten<br />
realisierte<br />
Daten<br />
SPEzial<br />
Laserschutzmaßnahmen sind nicht erforderlich. Auch hier gilt eine<br />
saubere Umwelt <strong>zum</strong>indest im Strahlengang als obligatorisch. Einschränkend<br />
gilt für dieses Verfahren die begrenzte Distanz zwischen<br />
Sensor und Messobjekt.<br />
Seilzugsensoren<br />
Seilzugsensoren funktionieren wie ein Maßband, bei dem allerdings<br />
die Weg- bzw. Abstandsinformation nicht mit dem Auge abgelesen,<br />
sondern als elektrisches Signal ausgegeben wird. Die wesentlichen Elemente<br />
sind neben dem Gehäuse, die Feder, die Trommel, das Messseil<br />
und ein Winkelmesser als Sensorelement. Das Messseil wird am zu<br />
messenden Bauteil befestigt und bei einer Bewegung von der Trommel<br />
auf- oder abgewickelt. Dadurch wird die lineare Bewegung in eine<br />
rotatorische konvertiert, die dann vom jeweils verwendeten Winkelsensor<br />
erfasst wird. Verringert sich der Messabstand, wird das Messseil<br />
selbstständig wieder auf die Trommel gewickelt. Die dafür notwendige<br />
Kraft wird von einer vorgespannten Triebfeder bereitgestellt. Diese<br />
Teleskopierbarkeit ist ein wichtiger Vorteil. Die Seilspannung ist dabei<br />
so groß, dass auch bei waagrechter Montage der Seildurchhang minimiert<br />
und das Messergebnis kaum beeinflusst wird. Seilzugsensoren<br />
bieten einen sehr kleine Bauform im Vergleich <strong>zum</strong> Messbereich und<br />
sind durch die eingesetzten Bauteile sehr robust ausgeführt. Ganz entscheidend<br />
ist der schnelle und einfache Einbau der Sensoren, gepaart<br />
mit ihrer Flexibilität hinsichtlich Messbereiche und Anschlussmöglichkeiten.<br />
Aufgrund der Verwendung verschleißbehafteter Bauteile<br />
wie Potentiometern und Seilen ist die Lebensdauer begrenzt.<br />
induktive Sensoren<br />
64 Konstruktion & Entwicklung 07 | 2009<br />
Sensorik, Mess- und Prüftechnik | Sensoren<br />
Der induktive Sensor bedient sich des LVDT Prinzips (Linear Variabler<br />
Differential Transformer) und besteht aus einer primären und zwei<br />
sekundären Spulen mit einem gemeinsamen, beweglichen weichmagnetischen/ferromagnetischen<br />
Magnetkern. Ein Oszillator regt die<br />
Primärspule mittels Wechselstrom konstanter<br />
Frequenz an. Daraufhin werden<br />
Spannungen in die beiden sekundären<br />
Spulen induziert, deren Amplituden<br />
von der Position des Kerns abhängen.<br />
Eine Bewegung des Kerns erzeugt eine<br />
steigende Amplitude in einer Sekundärspule<br />
bzw. eine fallende Amplitude<br />
in der anderen Sekundärspule. Die<br />
Differenz zwischen den beiden Sekundärspannungen<br />
ist proportional dem<br />
Weg. Bekannte und geschätzte Vorteile<br />
der induktiven Wegsensoren sind Robustheit,<br />
da das Gehäuse vollständig in<br />
Metall ausgeführt werden kann, sowie<br />
Zuverlässigkeit bei rauen Bedingungen,<br />
hohe Signalgüte und Temperaturstabilität.<br />
Die Bandbreite ist auf etwa 300 Hz<br />
begrenzt und damit sind diese Sensoren<br />
eher nicht für schnelle Prozesse zu<br />
bevorzugen. Der Spulenkern ist immer<br />
metallisch, weshalb sich magnetische<br />
Einflüsse auf das Messergebnis auswirken.<br />
laser-Distanz Sensoren<br />
Hinter den Laser-Distanz Sensoren<br />
verbergen sich bei Micro-Epsilon zwei<br />
Messprinzipien. Beim Time-of-Flight<br />
Prinzip werden kurze Laserimpulse<br />
hoher Amplitude <strong>zum</strong> Messobjekt gesendet.<br />
Dabei wird die Zeit gemessen,<br />
die der Lichtimpuls benötigt, um das<br />
Messobjekt zu erreichen und zurück<br />
<strong>zum</strong> Empfänger zu gelangen. Die benötigte<br />
Zeit lässt präzise auf den Abstand<br />
schließen. Schnelle Messungen bei großen<br />
Abständen sind damit möglich. Das<br />
zweite Prinzip funktioniert nach dem<br />
Phasen-Vergleichs-Verfahren. Kontinuierliche<br />
Lasersignale mit geringer<br />
Amplitude werden <strong>zum</strong> Messobjekt<br />
gesendet. Je nach Entfernung des Objekts<br />
verändert der Abstand die Phasenbeziehung<br />
zwischen gesendeten und<br />
empfangenen Signal. Sensoren dieses<br />
Prinzips arbeiten mit hoher Genauigkeit<br />
bei mittleren Messabständen. Beste<br />
<strong>Ergebnis</strong>se werden mit diesen Sensoren<br />
auf diffus reflektierende Oberflächen<br />
erzielt. Für eine Erweiterung des Abstandes<br />
kann auch eine spezielle Reflektortafel<br />
verwendet werden. Trotz<br />
der hohen Messbereiche bieten diese<br />
Sensoren eine hohe Genauigkeit. Durch
das optische Messverfahren muss eine Sichtverbindung zwischen<br />
Messobjekt und Sensor bestehen. Sie können durch starken Lichteinfall<br />
aus der Umgebung sowie Rauch, starken Regen und Nebel<br />
beeinflusst werden.<br />
Temperatur messen per infrarot<br />
IR-Sensoren unterscheiden sich im grundlegenden Aufbau kaum. Bedeutender<br />
Bestandteil für Auflösung und Messfleckgröße bei bestimmtem<br />
Abstand ist die IR-Linse, welche die Strahlen auf den IR Detektor<br />
bündelt. Sie legt auch fest, in welchem Verhältnis die Messfleckgröße<br />
<strong>zum</strong> Abstand <strong>zum</strong> Sensor steht. Das Detektorelement ist das Herzstück<br />
des Sensors. Dafür existieren drei physikalisch unterschiedliche<br />
Elemente. Für die Wandlung der Strahlung in elektrische Energie ist<br />
entweder ein Bolometer, ein Thermopile oder ein Quantendetektor<br />
verantwortlich. Anschließend folgt ein Verstärkermodul und ein AD-<br />
Wandler. Je nach Sensor folgt dann weitere Elektronik, um das Signal<br />
zu bearbeiten oder zu stabilisieren. Bei den Sensoren wird generell<br />
zwischen Handgeräten und stationär einsetzbare unterschieden.<br />
Handgeräte eignen sich sehr gut für schnelle und sporadische Messungen<br />
auf Objekte. Sie können zu verschiedenen Objekten mitgenommen<br />
werden, Messwerte speichern und sie später für Dokumentationszwecke<br />
ausgeben. Sie werden häufig für Wartungs- und Kontrollarbeiten<br />
verwendet. In diesem Bereich gibt es verschiedene Leistungsklassen.<br />
Die Geräte decken einen Messbereich zwischen -35°C und 900°C ab. Es<br />
existieren verschiedene Möglichkeiten den Messfleck durch Laser zu<br />
markieren. Stationäre Sensoren für den industriellen Einsatz existieren<br />
mit Messbereiche zwischen -50°C und 1800°C. Den richtigen Sensor<br />
für eine Anwendung bestimmen mehrere Faktoren, unter anderem<br />
sind dies: der Messbereich, das Material und die Größe des Objekts,<br />
die Umgebungstemperatur und der Abstand vom Objekt <strong>zum</strong> Sensor.<br />
Das Angebot gliedert sich in universelle Sensoren für gängige Aufgaben<br />
bzw. high-end Sensoren mit einem Laservisier zur Ausrichtung auf das<br />
Messobjekt. Auch Miniatursensoren mit integriertem Controller für<br />
Serienanwendungen werden angeboten.<br />
Die richtige auswahl treffen<br />
Da für die Vielzahl der verschiedenen Anwendungen auch unzählig<br />
verschiedene Randbedingungen gelten, gibt es keinen Sensor, der für<br />
alle Anwendungen geeignet ist. Alle Verfahren bieten verschiedene<br />
Vorteile und Einschränkungen. Zur Auswahl des richtigen Sensors für<br />
eine spezielle Messaufgabe muss sich der Anwender unter anderem<br />
folgende Fragen stellen:<br />
W Welche Genauigkeit wird benötigt?<br />
W Aus welchem Material besteht das Messobjekt?<br />
W Wie ist die Oberfläche ausgebildet?<br />
W Wie schnell bewegt sich das Objekt?<br />
W Bei welcher Umgebungstemperatur wird der Sensor verwendet?<br />
W Ist die Umgebungstemperatur statisch oder ändert sie sich laufend?<br />
W Was genau soll gemessen werden? Weg, Winkel, Krümmung usw.<br />
W In welchem Medium wird der Sensor eingesetzt?<br />
W Können mechanische Belastungen auftreten?<br />
W Welcher Messbereich wird benötigt?<br />
Diese Liste obligatorischer Fragen ist nur eine Auswahl der möglichen<br />
Kriterien, die bei einer Sensorwahl helfen. Für die Entscheidung für<br />
den richtigen Sensor ist immer ein Spezialist in Sachen Messtechnik zu<br />
Rate zu ziehen, da nur er alle Einflusskriterien abwägen und eine Entscheidung<br />
für eine optimale Sensorwahl treffen kann. Selbstverständlich<br />
ist es hilfreich, wenn vom Anbieter viele verschiedene Prinzipien<br />
vertreten werden, da damit auch die Auswahl und die Möglichkeit für<br />
eine passende Sensorwahl steigt.<br />
MEhr infoS: www.micro-epsilon.de