Bild 1: Um eine hohe Messgeschwindigkeit zu erreichen, arbeitet das Verfahren mit einer Hochfrequenzmodulation der Laseramplitude und wertet die Phasenlage und den Abstand dieser aufmodulierten Hochfrequenzsignale (Bursts) aus.

Ausgabe 06 | 2022

Die Grenzen konventioneller Mess-verfahren überwinden

Dimetix AG

Laserdistanzsensoren messen klassischerweise entweder die Lichtlaufzeit oder die Phasenverschiebung. Beide Verfahren haben Vor- und Nachteile: Die Lichtlaufzeitmessung ist schnell, durch die anspruchsvolle Zeitmessung aber oft nicht ausreichend genau. Die Messung der Phasenverschiebung ist deutlich genauer, aber durch die aufwendigere Auswertung nicht so schnell wie die reine Laufzeitmessung. Wenn Anwendungen es erfordern, dass grosse Distanzen mit hoher Genauigkeit und möglichst schnell gemessen werden sollen, sind deshalb beide Verfahren nicht ideal. Stattdessen bietet es sich an ihre Vorteile zu kombinieren.

Das Resultat sind Long-Distance-Sensoren, die Entfernungen von 0,05 bis zu 500 m schnell und auf den Millimeter genau messen. Anwendungen, bei denen für Postionier-, Vermessungs- oder Überwachungsaufgaben grosse Distanzen mit hoher Genauigkeit und möglichst schnell gemessen werden sollen, gibt es viele. Typische Applikationen reichen von Regalbediengeräten und ASRS-Shuttles (Automatic Storage and Retrieval System) in Distributionszentren über Füllstandkontrollen in grossen Tanks beziehungsweise Silos bis hin zum Maschinenbau, zum Beispiel in Anlagen zur Bearbeitung von Metallrohren oder beim maschinellen Ablängen von Balken oder Brettern. Auch Portal- oder Hafenkräne sind auf weite Distanzmessungen mit hoher Genauigkeit angewiesen und selbst Tunnelbohrmaschinen verlangen nach solch schnellen Präzisionslösungen zur Entfernungsmessung. Herkömmliche Verfahren zur Laserdistanzmessung, die Lichtlaufzeit oder Phasenverschiebung auswerten, stossen hier an ihre Grenzen.

Die Grenzen konventioneller Messverfahren
Bei der Laufzeitmessung wird ein kurzer Lichtpuls ausgesandt. Aus der Pulslaufzeit, also der Zeit, die der Lichtpuls braucht, um von der Quelle zu einem Reflektor und wieder zurück zur Quelle zu laufen, lässt sich dann die Entfernung ermitteln. Diese Methode ist schnell, durch die anspruchsvolle Zeitmessung aber oft nicht ausreichend genau. Schliesslich beträgt die Laufzeit von einem solchen Lichtpuls für 1 mm nur gerade mal 3,3 psec (3,3 * 10 bis 12 s). Bei Distanzen von mehreren Hundert Metern liegt die Auflösung deshalb üblicherweise nur im Zentimeterbereich.
Alternativ wird deshalb auch die Phasenverschiebung des reflektierten Laserstrahls gegenüber dem ausgesandten Strahl ausgewertet. Sie ist entfernungsabhängig, also lässt sich die zurückgelegte Distanz ermitteln. Diese Messung ist deutlich genauer, aber durch die aufwendigere Auswertung nicht so schnell wie die reine Laufzeitmessung.

Schnell und genau
Dimetix AG geht deshalb einen anderen Weg. Bei ihren Long-Distance-Lasersensoren kombinieren sie im Prinzip die Vorteile beider Messmethoden, indem sie sowohl Laufzeit als auch Phasenversatz auswerten. Um eine hohe Messgeschwindigkeit zu erreichen, arbeitet das Verfahren mit einer Hochfrequenzmodulation der Laseramplitude und wertet die Phasenlage und den Abstand dieser aufmodulierten Hochfrequenzsignale (Bursts) aus. Dabei wird der Laserstrahl in kurzen Abständen amplitudenmoduliert. Dadurch kann man sehr schnell die entfernungsabhängige Laufzeitverschiebung der einzelnen Pulspakete messen, aber auch die Phasenverschiebung der einzelnen Wellen zueinander innerhalb der modulierten Pakete. Die Sensoren messen deshalb schneller als normalerweise üblich und liefern auch bei grossen Entfernungen genaue Werte. Die Messgeschwindigkeit reicht bis 250 Hz bei einer Ausgaberate von 1 kHz.
Das schematische Innenleben eines Sensors (Bild 1), das aus einer Vielzahl aufeinander abgestimmter Komponenten besteht: optischem Sender mit Laserdiode und ultraschnellem Treiber, Empfänger mit Linse, Filter und Analog/Digital-Wandler, leistungsstarker digitaler Signalverarbeitung, Speicher, Eingabe- und Anzeigeelementen und einer grossen Anzahl an digitalen sowie analogen Industrie-Schnittstellen. Das alles istin einem kompakten, für den industriellen Einsatz ausgelegten Gehäuse untergebracht. Eine Sensorvariante ist zusätzlich mit einer integrierten Heizungsfunktion verfügbar, sodass die Lasersensoren auch im kalten Outdoor-Bereich ohne externe Heizung arbeiten können.

Hohe Wiederholgenauigkeit

Die Laserdistanzsensoren der D-Serie eignen sich für Distanzen von 0,05 bis 500 m und messen mit einer Genauigkeit von ±1 mm bei einer Wiederholgenauigkeit von ±0,3 mm. Sie arbeiten üblicherweise gegen eine orange Reflexfolie. Bei Distanzen bis 100 m gelten die Genauigkeitswerte aber auch für natürliche Oberflächen und selbst bei schwarzen Zielflächen oder direkter Sonneneinstrahlung im Ausseneinsatz können die Geräte zuverlässige Messergebnisse liefern.
Ihre Messgenauigkeit wird mit einer statistischen Sicherheit von 95,4 Prozent spezifiziert (entsprechend ISO 1938-2015). Das ist gleichbedeutend mit ± 2 s, also 4-mal die Standardabweichung. Distanzfehler durch Temperatureinflüsse und Linearitätsfehler sind hierbei bereits berücksichtigt. Diese Messgenauigkeit wird laufend in umfangreichen Tests verifiziert. Die statistische Verteilung einer solchen 24 Std. Testmessung mit über 21 Millionen aufgezeichneten Distanzmessungen (Bild3). Zusätzlich zeigt die entsprechende Gauss-(/Normal)-Verteilung den Zusammenhang zu der erwähnten statistischen Sicherheit von 95,4 Prozent, was 4-mal der Standardabweichung entspricht.

Gut in die Anwendung integrierbar
Dank ihrer geringen Abmessungen von 140x78x48 mm Höhe (LxBxH)lassen sich die nur 350 g leichten Distanzsensoren gut in die unterschiedlichen Anwendungen integrieren, zum Beispiel am Mast eines Regalbediengeräts befestigen. Hier messen sie millimetergenau die Positionen, an welchen die Regalfächer bedient werden. Ein ähnlicher Anwendungsfall findet sich auch bei ASRS-Shuttle-Systemen, die in vielen Distributionszentren zur Auftragsabwicklung und Lagerung eingesetzt sind. Mithilfe der Sensoren kann der Shuttle millimetergenau an der Stelle platziert werden, an der Produkte ein- oder ausgeladen werden müssen. Das robuste Gehäuse erfüllt die Anforderungen nach IP65, bietet damit auch in rauer Industrieumgebung und beim Ausseneinsatz Schutz, beispielsweise beim Einsatz an Tunnelbohr- oder Baumaschinen und selbst bei hohen Temperaturen wie in der Stahlindustrie, wo auf heisse Oberflächen gemessen wird.
Die Laserdistanzsensoren werden zudem in acht unterschiedlichen Varianten angeboten, die bei sonst gleichen Eigenschaften unterschiedliche Anforderungen an Reichweite und Auflösung abdecken, sodass niemand für technischen Overhead bezahlen muss, wenn beispielsweise ±3 mm Genauigkeit ausreichen. Bei Innenanwendungen genügt zudem meist ein Temperaturbereich von -10 bis +50 °C. Standardmässig integriert sind ein Analogausgang 0/4 bis 20 mA, serielle Schnittstellen sowie digitale Ein- und Ausgänge. Als Option stehen PROFINET, EtherNet/IP und EtherCAT zur Verfügung. Dazu wird das Schnittstellenmodul des Sensors einfach ausgetauscht.

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