Distanz wahren

Abstandsmessung - Eine der wichtigsten Aufgaben in der Fertigung ist die Messung von Abständen. Allerdings unterscheiden sich die Anwendungen so sehr, dass kein Sensor für alle Aufgaben geeignet ist. Nur wenige Hersteller bieten eine Lösung für jeden Messbereich.

10. September 2007

Die Messung von Abständen ist eine der häufigsten Aufgaben der industriellen Sensorik: Zum Einsatz kommt sie etwa bei der Erkennung fehlender Bauteile auf einer Leiterplatte, bei der Füllstandsmessung in Behältern, bei der Fachbelegungskontrolle im Hochregallager, zur Distanzierung von Hängeförderern und Transportsystemen oder bei der Positionierung von Regalbediengeräten und Kränen.

Als Funktionsprinzip dienen im Wesentlichen die Optoelektronik, die Ultraschallsensorik und die mechanische Wegmessung. Die Frage, welche Technologie im Allgemeinen und welche Sensorlösung im Speziellen am besten passt, kann von zahlreichen Faktoren abhängen. Die wichtigsten sind die Messdistanz und die erforderliche Präzision oder Reproduzierbarkeit der Messung. Auf der Seite des Sensors entscheiden zudem die Baugröße, die Schutzart oder die Art der Signalausgabe die Wahl des passenden Produkts.

Optische Sensoren für kurze Abstände

Bei der optoelektronischen Abstandsmessung wird Licht von einem Sensor ausgesendet und wieder empfangen. Zum Einsatz kommen zwei unterschiedliche Messprinzipien: Beim geometrischen Triangulationsverfahren dient der Eintreffwinkel des reflektierten Lichtes zur Berechnung des Abstands zum Objekt. Als Sender dienen Laser-, Rot- oder Infrarotlichtquellen. Die Lichtlaufzeitmessung hingegen errechnet den Abstand eines Objekts aus der Zeitspanne zwischen dem Aussenden eines Laserimpulses und dem Empfang seiner Remission.

Triangulierende Systeme basieren im Allgemeinen auf einem tastenden Funktionsprinzip, bei der das Objekt direkt erfasst wird. Dieses Prinzip eignet sich speziell für kleine Objekte, geringe Messbereiche oder kurze Entfernungen, sogar bis in den Mikrometerbereich. Bei der Lichtlaufzeitmessung hingegen unterscheidet man zwischen Taster- und Reflektorsystemen. Letztere erfassen das Objekt nicht direkt, sondern einen daran angebrachten Reflektor und ermöglichen auf diese Weise größere Abstandsmessbereiche bis zu 1.000 Meter. Messende Reflektorsysteme arbeiten fast ausschließlich mit Laser- und Lichtlaufzeitmessung.

Ultraschall für harte Fälle

Trotz dieser Flexibilität im Einsatz geraten optoelektronische Abstandsmesssysteme bei manchen Applikationen an ihre Grenzen, da dieses Messverfahren nicht unabhängig ist von Material und Form der zu messenden Objekte. Viel besser zur Erfassung von Folien, Flaschen, Flüssigkeiten oder Schüttgütern eignen sich deshalb Ultraschallsensoren, die den Hintergrund des Messfeldes äußerst präzise ausblenden können. Ultraschallsensoren messen den Abstand berührungslos durch Aussenden eines Ultraschallimpulses und Auswertung der Impulslaufzeit. Dabei beeinflussen weder die Objektoberfläche und deren Remissionseigenschaften die Erfassung, noch Nebel oder Dämpfe im Erfassungsbereich. Temperaturschwankungen, die die Laufzeit beeinflussen könnten, werden automatisch kompensiert und haben deshalb keine Auswirkungen auf die Messgenauigkeit. Zudem lassen sich die Hintergründe des Messfeldes zuverlässig ausblenden. Die typischen Messbereiche, die mit dieser Technologie abgedeckt werden, liegen zwischen 20 und 6.000 Millimeter.

Manchmal muss es Mechanik sein

Einen anderen Weg gehen Absolut-Encoder: Diese Sensoren erfassen Abstände mechanisch über die Messung eines zurückgelegten Weges. Unterschieden wird zwischen rotativen Seilzug-Encodern und linearen Encodern. Beim Seilzugencoder wird ein Stahlseil zwischen Anfangs- und Endpunkt einer Messstrecke auf- oder abgewickelt. Die Anzahl der Trommelumdrehungen ist längenproportional und wird in ein Messsignal umgesetzt.

Bei linearen Absolut-Encodern ermittelt das Sensorteil berührungslos die Istposition etwa der Laufkatze eines Kranes mit Hilfe einer entlang der Fahrstrecke angebrachten Maßverkörperung aus Aluminiumprofilen mit integrierten Dauermagneten, deren Abstand zueinander eine feste Positions-Codierung darstellt, die von den magnetoresistiven Sensoren des Sensorteils identifiziert wird. Andere Systeme arbeiten mit codierten Magnetbändern und entsprechenden Leseköpfen. Beide Funktionsprinzipien ermöglichen die Messung größter Abstände, teilweise bis in den Kilometer- Bereich.

Entscheidend für die Wahl des optimalen Sensorsystems zur Abstandsmessung sind also die jeweilige Anwendung und ihre Anforderungen. Allerdings eignet sich kein einzelnes Sensorsystem für alle denkbaren Aufgaben, von Kurzdistanzen im Millimeter- Bereich bis zu Entfernungen von mehr als zwei Kilometern. Der Waldkircher Sensorikhersteller Sick bietet deshalb ein umfassendes Produktprogramm für eine große Vielfalt von Messaufgaben. Es umfasst alle genannten Messprinzipien und bietet unterschiedliche Möglichkeiten der Messwertausgabe.

Für kurze Messbereiche von zwei bis 300 Millimeter, bei denen es zudem auf Präzision im Mikrometerbereich ankommt, bieten die Schwarzwälder beispielsweise Displacementsensoren wie die Modelle OD, OD Hi oder OD Max. Letzteres ermöglicht zudem auch Differenzmessungen, beispielsweise dynamische Blechdickenmessungen. Klassische Einsatzfelder für Displacementsensoren finden sich überall, wo höchste Präzision gefragt ist - von der Elektronik- bis zur Automobilindustrie.

Weite Abstandsbereiche

Für Reichweiten bis 1.000 Millimeter bei geringeren Ansprüchen an die Präzision bietet Sick zudem klassische Triangulationssensoren wie die Distanztaster DT2, DT10 oder DT20 mit Wiederholgenauigkeiten von wenigen Millimetern. Typische Einsatzgebiete sind die Füllstandserfassung in Magazinen oder die Durchhangregelung von Seilen oder Bahnen. Bei Reichweiten von 0,5 bis etwa 160 Meter empfehlen sich tastende Abstandssensoren mit Laserlicht und Lichtlaufzeitmessung. Diese Sensoren messen direkt auf das Objekt, beispielsweise eine Blechrolle, eine Karosserie oder ein Regalfach.

Für die Messung großer Entfernungen bis zu 1.100 Meter eignen sich dagegen die Reflektor-Abstandsmesssysteme der Baureihen DME und DML. Ein großes Einsatzfeld dieser Geräte ist die Lager- und Fördertechnik, zum Beispiel bei der Distanzierung von Fahrzeugen oder bei der Positionsbestimmung von Regalbediengeräten in automatischen Lagern. Unterschiedliche Messbereich- Varianten ermöglichen dabei den Einsatz in automatischen Kleinteilelagern ebenso wie in Palettenhochregallagern. Alle optoelektronischen Sensoren von Sick sind unempfindlich gegen Fremdlicht und können den Hintergrund präzise ausblenden - auch bei dunklen oder kleinen Objekten.

Auf die Aufgabe kommt es an

In Fällen, bei denen zum Beispiel eine Scharniermechanik eine durchgängig gerade Messstrecke verhindert, dennoch aber ein Abstandswert erfasst werden muss, eignen sich Seilzug-Encoder zur Erfassung von Positionen. Die möglichen Messdistanzen reichen von zwei bis zu 50 Meter, bei einer Reproduzierbarkeit zwischen 0,025 und 0,1 Millimeter. Durch ihr hohes Auflösungsvermögen und ihr direktes Signal bieten sie die höchste Regelungsdynamik aller Abstandsmesssysteme. Zahlreiche Baureihen und Datenschnittstellen eröffnen vielfältige Einsatzmöglichkeiten, vom Apparatebau über Kran- und Baggeranlagen, Pressen, Spritzmaschinen und Hochregallager bis hin zu Schleusen und Theaterbühnen.

Eine Lösung zur exakten Positionierung auch über große Abstände und im rauen Einsatzumfeld oder im Außenbereich sind lineare Absolut-Encoder. Bewährte Systeme arbeiten entweder mit Sensoren, die magnetische Maßverkörperungen entlang der Messstrecke abtasten, oder mit einem codierten Magnetband, bei dem über einen Lesekopf die absolute Position ermittelt wird. In diesem Produktsegment bietet Sick zum Beispiel das System LinCoder L 230 mit einer Reproduzierbarkeit ab 0,01 Millimeter für den Abstandsbereich 0,5 bis 40 Meter, mit dem System Pomux KH53 wurden bereits Messlängen über 1,7 Kilometer realisiert.

Patrick Nutz, Andreas Gérard, Sick/bt

Fakten

- Optolelektronische Sensoren errechnen Abstände aus dem Reflexionswinkel oder der Laufzeit von Lichtsignalen.

- Ultraschallsensoren arbeiten berührungslos und weitgehend unabhängig von den Umgebungsbedingungen.

- Absolut-Encoder erfassen Abstände auf mechanischem Wege. Seilzug-Encoder erlauben Messungen »um die Ecke«.

Erschienen in Ausgabe: 06/2007