Optosensorik für die direkte Abstandsmessung

„Messen statt Tasten“

Die Zukunft der Optosensorik liegt in der direkten Abstandsmessung

Pepperl+Fuchs: Optische Sensorik nutzte von Anfang an die Möglichkeiten mit lichtempfindlichen Bauteilen (Fotodiode oder –transistor) die Intensität des einfallenden Lichtes zu messen. Dieses Prinzip ist so einfach wie wirkungsvoll und insbesondere für den Aufbau von Lichtschranken ideal. Schwierig wird es allerdings immer dann, wenn die Reflexionseigenschaften des zu erkennenden Objektes die auf der Diode einfallende Lichtmenge verändern. So erkennt nur eine Einweg-Lichtschranke prinzipbedingt jedes beliebige Objekt, ein Reflektor unbeabsichtigt in den Strahlengang einer Reflexlichtschranke gebracht, bleibt hingegen als Objekt schon unerkannt. Ganz besonders störend ist diese physikalische Eigenschaft bei optischen Tastern, die unmittelbar auf das Objekt messen. Unterschiedlich farbige Objekte werfen unterschiedlich viel Licht zurück zum Empfänger, so dass alle tastenden optischen Sensoren eine sogenannte Schwarz/Weiß-Differenz aufweisen, d.h. unterschiedliche Schaltpunkte für unterschiedliche Objekte aufweisen. Das gilt insbesondere für energetische Taster, aber auch bei Hintergrundausblendern (HGA) ist der Effekt niemals Null.

Der Grund für diese nicht immer befriedigenden Ergebnisse ist das beschriebene indirekte Messverfahren. Erst die direkte Messung des Abstandes zum Objekt erlaubt eine zuverlässige Erkennung unter wechselnden Bedingungen. Diese Erkenntnis ist keinesfalls neu, jedoch aus Kostengründen im Bereich der industriellen optischen Sensorik bislang selten umgesetzt.

Entfernungsmessung mittels Puls-Laufzeitmessung

Der VDM28 von Pepperl+Fuchs für Messentfernungen bis zu 15 m arbeitet nach dem Pulse Ranging Technology (PRT)-Prinzip. Obwohl das Gerät in der Preisklasse einer hochwertigen Lichtschranke liegt, wurde ein echtes Puls-Laufzeit-Verfahren realisiert. Dazu muss die extrem kurze Zeit (für 1 m benötigt das Licht nur ca. 3 nsec.) gemessen werden, die ein sehr steilflankiger Laser-Lichtimpuls vom Sender zum Empfänger braucht. Bild 1 zeigt das Prinzip. Der entscheidende Vorteil dieses Verfahrens im Vergleich zur häufig eingesetzten Phasenkorrelationsmessung ist die Eindeutigkeit. Sind mehrere Objekte im Lichtkegel des Senders, so kommt der vom nächsten Objekt reflektierte Impuls vor allen anderen Objekten reflektierten Impulsen am Empfänger an. Damit kann eine intelligent ausgelegte Elektronik die Reflexionspulse aller im Lichtkegel befindlichen Objekte voneinander unterscheiden und damit die Entfernung individuell richtig ermitteln. Bei der häufig in preiswerten Sensoren benutzten Phasenkorrelation hingegen ergibt sich in solchen Fällen immer eine Mischphasenlage, die keinen eindeutigen Rückschluss auf die Entfernung zulässt. Damit ist nur das PRT-Prinzip zu 100 % multizielfähig und kann z.B. auch in sicherheitskritischen Anwendungen eingesetzt werden.

Bild 2 zeigt den VDM28 ist der Anwendung für die Fach-Fein-Positionierung eines Regalbediengerätes (RBG) in doppelt-tiefen Regalen. In dieser Applikation ist es unbedingt wichtig, durch exakte Entfernungsbestimmung die gesuchte Markierung eindeutig zu finden und eindeutig von Echos der vielfältigen anderen Objekte im Strahlengang zu unterscheiden.

Nicht unerwähnt sollte allerdings bleiben, dass die PRT-Technolgie auch im Bereich von optischer High-End-Sensorik erfolgreich eingesetzt werden kann. Bild 3 zeigt den VDM100 in der Anwendung für die Positionssteuerung eines Regalbediengerätes. Hierbei wird auf Reflektoren gemessen, wodurch Reichweiten von bis zu 500 m möglich sind. Es wird eine Messgenauigkeit von wenigen Millimetern erreicht, die sogar über den ganzen Messbereich konstant ist und nicht wie bei anderen Messprinzipien mit zunehmender Entfernung größer wird. Auch dies war wiederum nur mit der direkten Messung mittels der Lichtlaufzeitbestimmung möglich. Die hohe Leistungsfähigkeit des PRT-Prinzips ermöglicht dabei selbst für dieses hochgenaue Messgerät die vollkommen ungefährliche Laserklasse 1 mit einem Infrarot-Messlaser.

Die beiden Beispiele zeigen eindrucksvoll die Skalierbarkeit des PRT-Konzeptes. Von der messenden Lichtschranke bis hin zur High-End-Messtechnik können unterschiedliche Anforderungen mit dem gleichen Messprinzip erfüllt werden. Durch Verwendung von jeweils auf die Applikation optimierten Bauteilen sind damit auch die divergenten Anforderungen an die Herstellkosten der Geräte erfüllbar.

Entfernungsmessung mittels Triangulation

Die große Stärke des PRT-Prinzips liegt zweifelsohne im großen Messbereich und den hohen Reichweiten. Aber auch für kleinere Tastweiten gibt es einen Trend zum Messen statt Tasten. Das Prinzip der Triangulation zeigt das Bild 4. In Abhängigkeit der Entfernung zum Objekt wird der Empfangsstrahl auf unterschiedliche lichtempfindliche Photoempfänger des Multipixel-Arrays (MPA) abgelenkt. Für Entfernungen bis ca. 800 mm ist die Methode einfach und sehr genau zugleich. Wahlweise kann im Sensor eine voreingestellte Schwelle abgefragt oder ein analoger Messwert ausgegeben werden. Aufgrund der kleinen Tastweite und des gut fokussierten Sendestrahls ist dabei in der Regel keine Mehrzielfähigkeit erforderlich.

Der Triangulation und dem PRT gemeinsam ist ein Messkern, der die Entfernung zum Objekt direkt misst und damit weitgehend unabhängig von den Reflexionseigenschaften des Objektes ist. Der Anwender kann beide Sensoren über die serienmäßig vorhandene IO-Link-Schnittstelle vielfältig konfigurieren. Im einfachsten Fall wird dadurch aus dem messenden Sensor ein Sensor mit definierten Schalteigenschaften. IO-Link als sehr preiswerte Schnittstelle ist die ideale Ankopplung von analog arbeitenden Sensoren an die Steuerungswelt. Sie ist abwärtskompatibel zum klassischen Schaltausgang und ermöglicht dennoch die Übertragung von Messdaten und Parametern in Echtzeit.

Ausblick

Mit der PRT Technologie ist es gelungen, zu akzeptablen Kosten ein Puls-Laufzeit-Messprinzip auch für kompakte Sensoren zu realisieren. Die Genauigkeit ist für viele Applikationen ausreichend und die Kosten liegen nahe bei denen einer hochwertigen Lichtschranke. Bei weiter steigenden Stückzahlen werden sich die Kosten noch weiter verringern lassen und damit den heute verbreiteten HGA-Lichttaster vollends ersetzen.

Doch damit nicht genug. Überträgt man das Prinzip der Triangulation auf ein flächiges Empfangsarray und einen sich als Linie abbildenden Lichtfleck, so gelangt man zum Laser-Lichtschnitt-Verfahren, welches in der Bildverarbeitung zur 2D Höhenmessung sehr verbreitet ist. Dabei wird gleichzeitig das Höhenprofil für mehrere Punkte auf dem Objekt entlang der projizierten Laserlinie ermittelt. Die Möglichkeiten dieses Prinzips für die Anwendung in optischen Tastern werden gerade erst angetestet. Hier darf man auf die weitere Entwicklung gespannt sein.