Lichtimpulse helfen messen

Sensorik

Distanzsensorik. Ein neu entwickeltes optisches Distanz-Messverfahren liefert eindeutige, exakte Ergebnisse auch bei großen Abständen, bei Fremdlicht und bei einer ungünstigen Objektoberfläche.

09. September 2009

Eine bevorzugte Methode zur eleganten verschleißfreien Detektion der verschiedensten Objekte ist die berührungslos arbeitende optische Sensorik. Entsprechend dem jeweiligen Anwendungsfall kommen dabei unterschiedliche Messverfahren zum Einsatz, die sich zum Teil gravierend voneinander unterscheiden und mit unterschiedlichen Einschränkungen behaftet sind.

So eignet sich das Verfahren der Triangulation nur für kurze Entfernungen bis 500 Millimeter. Weitere Abstände erfasst das Messprinzip der Phasenkorrelation, oft fälschlich auch als »Lichtlaufzeitmessung« oder »Time-of-Flight« bezeichnet. Dieses Verfahren vergleicht die Phasenlagen des empfangenen Lichts und des ausgesendeten Lichts, die sich mit zunehmender Entfernung zum Objekt gegeneinander verschieben, und berechnet aus der ermittelten Differenz die Distanz zum Objekt.

Eine wichtige Einschränkung der Phasenkorrelation ist die Gefahr falscher Ergebnisse aufgrund von Mehrdeutigkeiten beim Überschreiten der maximal zulässigen Reichweite, die durch die maximale Phasenverschiebung von 360 Grad klar begrenzt ist. Dieser Effekt lässt sich nur durch aufwendige Zusatzmaßnahmen sicher beherrschen.

Weitere Probleme bereiten diesem Messverfahren ungünstige Objektoberflächen, Fremdlicht oder mehrere Objekte, die sich dem Messstrahl gleichzeitig von verschiedenen Seiten nähern. Dunkle Materialien mit geringem Reflexionsfaktor führen zu relativ großen Schwarz-Weiß-Differenzen, was die Reichweite ebenfalls einschränkt. Solche Situationen führen zu einem schwachen Signal mit geringer Amplitude, hohem Rauschen, hoher Fehleranfälligkeit oder einem eingeschränkten Messbereich.

Eine Lösung für die Problematik dieser indirekten Verfahren verspricht jetzt ein neues Messprinzip, das der Mannheimer Sensorikspezialist Pepperl + Fuchs entwickelt hat. Bei diesem als Puls Ranging Technology (PRT) bezeichneten Verfahren sendet eine Laserdiode kurze Lichtimpulse aus, die am Zielobjekt reflektiert und von einem lichtempfindlichen Empfangselement wieder erfasst werden. Der Energieinhalt eines Pulses kann dabei bis zu tausendmal höher sein als bei Sensoren mit permanent sendendem Verfahren. Die Herausforderung dieser echten Puls-Laufzeit-Messung besteht darin, die Sende- und Empfangszeitpunkte hochgenau zu erfassen.

Kein Problem mit Reflexionen

Sensoren mit Puls Ranging Technology können die Schwächen anderer Wirkprinzipien ausgleichen. So haben zum Beispiel Ultraschall-Sensoren oft Probleme mit unerwünschten Reflexionen beim Einsatz in räumlich beengten Umgebungen. Der neue Sensor liefert stets genaue, zuverlässige, eindeutige und reproduzierbare Ergebnisse über einen weiten Entfernungsbereich, unabhängig von Umgebungsbedingungen wie Oberflächenbeschaffenheit, Farbe oder vorhandenem Fremdlicht.

Das Portfolio von Pepperl+Fuchs umfasst mehrere Sensoren mit PRT: Für ein breites Aufgabenfeld im Messbereich von 0,2 bis acht Meter eignet sich der kostengünstige Distanzsensor VDM28 im Standard-Lichtschrankengehäuse. Der Sensor bietet die komplette Funktionalität eines Lichttasters mit Hintergrundausblendung, allerdings mit einer deutlich längeren Reichweite. Die Wiederholgenauigkeit beträgt 5 Millimeter, die absolute Genauigkeit 25 Millimeter.

Der rote Messstrahl der Laserdiode erleichtert die Ausrichtung des Sensors sowie die Kontrolle während des Betriebs, ob das Gerät auf die richtige Stelle misst. Bei der leistungsfähigeren Variante des Distanzsensors ist eine IO-Link-Schnittstelle integriert, die eine fortlaufende Übertragung der aktuellen Entfernungswerte über den Bus erlaubt und komfortable Funktionen zur Parametrierung und Diagnose zur Verfügung stellt.

Speziell für die schnelle und präzise Positionierung von Regalbediengeräten prädestiniert ist das Entfernungsmessgerät VDM100 mit maximal 300 Meter Reichweite und einer Wiederholgenauigkeit von unter 0,5 Millimeter. Zur einfachen Positionierung von Portalkranen, Hebern, Aufzugskabinen oder für Vermessungsaufgaben dient der VDM70 mit bis zu 250 Meter Reichweite, während der VDM54 mit bis zu 6 Meter Reichweite für Aufgaben des Kollisionsschutzes an Elektrohängebahnen optimiert ist.

Thorsten Schroeder, Pepperl + Fuchs/bt

Fakten

- Das Verfahren der direkten Lichtlaufzeitmessung (PRT) misst die Laufzeit kurzer Laserlichtimpulse, die am Zielobjekt reflektiert werden.

- Das Messprinzip vermeidet die Nachteile der Phasenkorrelation, die nur bis zu einer Phasenverschiebung von 360 ° eindeutige Ergebnisse liefert, und ist zudem empfindlich gegen Fremdlicht und wechselnde Messziele.

Erschienen in Ausgabe: 5-6/2009