Berührungslose Wegsensoren im Vergleich

Micro-Epsilon Messtechnik GmbH&Co KG: Weg- und Abstandssensoren stehen häufig als das genauigkeitsbestimmende Messmodul im Zentrum von komplexen Messsystemen für geometrische Größen. Dabei werden sehr hohe Anforderungen an die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit der Wegsensoren gestellt. Grundsätzlich lassen sich Wegsensoren in berührungslose und berührende Sensoren unterteilen. Berührungslose Sensoren kommen stets dann zum Einsatz, wenn schnelle Wegänderungen erfasst werden sollen, keine Kräfte auf das Messobjekt ausgeübt werden dürfen, hochempfindliche Oberflächen eine Berührung nicht zulassen oder eine lange Lebensdauer der Sensoren gefordert wird.

Wegsensoren sind aus dem Maschinenbau nicht mehr wegzudenken. Sie werden verwendet um verschiedene Bewegungen zu kontrollieren, Füllstände zu überwachen, um Produktqualitäten zu überprüfen uvm. Doch gerade in dieser Branche treffen Sensoren auf die unterschiedlichsten und härtesten Bedingungen die erfüllt werden müssen. So müssen Sensoren häufig in widrigsten Umgebungen sicher arbeiten. Sie werden in Öl, bei heißen Dämpfen oder wechselnden Temperaturen verwendet. Genauso ist es aber möglich, dass Sensoren an stark vibrierenden Teilen, in starken elektromagnetischen Feldern verwendet werden oder ein gewisser Abstand zum Objekt nötig ist. Wichtige Einsatzkriterien sind Genauigkeit und Temperaturstabilität, Auflösungsvermögen und Grenzfrequenz. Genau deshalb rücken immer wieder andere Vorteile der verschiedenen Messverfahren in den Vordergrund. Sodass keine generelle Aussage über das optimale Messverfahren getroffen werden kann.

Tabelle 1: Stärken und Einschränkungen der einzelnen Messverfahren

Tabelle 2: Bei Serienprodukten realisierte Daten

Micro-Epsilon trägt seit 40 Jahren als innovatives und auf Wegmessung spezialisiertes Unternehmen mit herausragenden Sensorprodukten maßgeblich zur Lösung von Messaufgaben in der Forschung und Entwicklung, an Prüfständen, in der Qualitätsprüfung oder in der Maschinen- und Werkzeugüberwachung bei. In der Praxis haben sich neben kapazitiven und konfokalen Sensoren auch Sensoren der Wirbelstromtechnik und der Lasertriangulation bewährt. Berührungslose Sensoren sind in den unterschiedlichsten Ausführungen erhältlich. Gerade deshalb ist es als Anwender häufig schwierig sich für den richtigen Sensor zu entscheiden. Jedes Messprinzip hat charakteristische Eigenschaften, die in gewissen Situationen als Vor- oder Nachteil ausgelegt werden können.

Das Prinzip Wirbelstrom
Das Wirbelstromprinzip ist im eigentlichen Sinne dem induktiven Messverfahren zuzuordnen. Der Effekt zur Messung via Wirbelstrom beruht auf dem Entzug von Energie aus einem Schwingkreis. Diese Energie ist zur Induktion von Wirbelströmen in elektrisch leitfähige Materialien nötig. Hierbei wird eine Spule mit Wechselstrom gespeist, worauf sich ein Magnetfeld um die Spule ausbildet. Befindet sich ein elektrisch leitender Gegenstand in diesem Magnetfeld, entstehen darin – gemäß dem faradayschen Induktionsgesetz – Wirbelströme. Das Eigenfeld dieser Wirbelströme wirkt entsprechend der Lenz’schen Regel dem Feld der Spule entgegen, was eine Änderung der Spulenimpedanz nach sich zieht. Diese abstandsabhängige Impedanzänderung lässt sich durch Amplitudenänderung der Sensorspule als messbare Größe am Controller abgreifen.

Das Verfahren ist bei allen elektrisch leitenden Materialien einsetzbar. Da Wirbelströme Isolatoren ungehindert durchdringen, können sogar Metalle hinter einer isolierenden Schicht als Messobjekt dienen. Eine spezielle Spulenwicklung ermöglicht besonders kleine Sensorbauformen, die auch noch bei hohen Temperaturbereichen einsetzbar sind. Alle Wirbelstromsensoren sind unempfindlich gegen Schmutz, Staub, Feuchte, Öl und Druck. Dennoch unterliegen Wirbelstromsensoren einigen Einschränkungen in der Anwendung. Für jede Applikation ist beispielsweise eine individuelle Linearisierung und Kalibrierung notwendig. Ebenso ist das Ausgangssignal von den elektrischen und magnetischen Eigenschaften des Messobjekts abhängig. Nichts desto trotz verhelfen aber genau diese Restriktionen dem Messprinzip eddyNCDT von Micro-Epsilon zu der hohen Auflösung von wenigen zehntel Nanometern.

Eine charakteristische Anwendung für Wirbelstromsensoren befindet sich in einem vollautomatischen Schweißprüfstand. Dieser Prüfstand erfasst die Güte von Schweißnähten, die bei sich bewegenden Nahtflanken erstellt wurden. Relevant sind diese Ergebnisse für die Reparaturen an z. B. Brücken, die durch Wind und Wasser einer stetigen Bewegung unterliegen. In diesem Fall wurde als Sensor ein Wirbelstromsensor gewählt, weil nur bei diesem Verfahren die Messergebnisse durch die starken elektromagnetischen Felder des Schweißroboters nicht beeinflusst werden. Der Sensor erfasst hier die Nahtflankenbewegung mikrometergenau, bei einem Messbereich von 4 mm.

Das kapazitive Messprinzip

Beim kapazitiven Messprinzip agieren Sensor und Messobjekt wie ein idealer Plattenkondensator. Durchfließt ein Wechselstrom konstanter Frequenz den Sensorkondensator, so ist die Amplitude der Wechselspannung am Sensor dem Abstand zum Messobjekt (Masse-Elektrode) proportional. Durch den Aufbau der Sensoren als Schutzringkondensatoren erreicht man in der Realität nahezu eine ideale Linearitätskennlinie. Für eine konstante Messung ist jedoch eine gleichbleibende Dielektrizitäts-Konstante zwischen Sensor und Messobjekt die Prämisse, das System reagiert äußerst empfindlich auf Änderungen des Dielektrikums im Messspalt. Kapazitive Sensoren messen auch gegen Isolatorwerkstoffe, da diese als geändertes Dielektrikum erfasst werden. Ein lineares Ausgangssignal wird für Isolatoren durch elektronische Beschaltung möglich.

Da thermisch bedingte Leitfähigkeitsänderungen keinen Einfluss auf die Messung haben, ist das Prinzip auch bei starken Temperaturschwankungen stabil. Die kapazitiven Sensoren capaNCDT zählen laut Hersteller zu den präzisesten überhaupt. Es werden Auflösungen von weniger als einem Nanometer erzielt.

Geeignetes Beispiel für dieses Messprinzip im Maschinenbau ist die Verformung einer Bremsscheibe unter Belastung. Um genaue Kenntnisse über die Verformung während des Bremsvorganges zu erhalten, muss diese unter extremen Bedingungen geprüft werden. In einem Prüfstand bewegt sich die Bremsscheibe mit einer Drehzahl von 2000 U/min bei einer Temperatur von 600 °C. Für diesen Versuch wird ein Messsystem benötigt, das eine hohe Messrate oder Grenzfrequenz leistet und durch temperaturbedingte Änderungen der magnetischen und konduktiven Eigenschaften des Objekts nicht beeinflusst wird. Zudem muss der Sensor äußerst hochauflösend sein, da die Verformung bei unter 100 µm stattfindet. Bestens geeignet ist dafür das kapazitive Messprinzip, das alle geforderten Bedingungen erfüllt. Das Wirbelstromprinzip käme hier nicht in Frage, da die hohen gradientenbedingten Leitfähigkeits- und Permeabilitätsschwankungen nicht voll kompensieren kann.

Das Prinzip der Lasertriangulation
Eine Laserdiode emittiert einen Laserstrahl, der auf das Messobjekt gerichtet ist. Die dort reflektierte Strahlung wird über eine Optik entweder auf eine CCD- / CMOS-Zeile oder auf ein PSD-Element abgebildet. Die Intensität der reflektierten Strahlung ist von der Oberfläche des Messobjektes abhängig. Deshalb wird bei analog arbeitenden PSD-Sensoren die Empfindlichkeit geregelt. Bei digitalen CCD-Sensoren regelt die von Micro-Epsilon verwendete RTSC-Schaltung (Real Time Surface Compensation) Intensitätsänderungen ohne Verzögerung aus.

Aus der Lage des Lichtpunktes auf dem Empfangselement wird der Abstand des Objekts zum Sensor berechnet. Die Daten werden, je nach Ausführung, über den externen oder internen Controller ausgewertet und über verschiedene Schnittstellen ausgegeben.

Größter Vorteil und zugleich auch für den größten Nachteil dieses Prinzips verantwortlich ist der mögliche Grundabstand. Für heiße oder sich stark bewegende Messobjekte ist es ein unschätzbarer Vorteil aus größerer Entfernung messen zu können. Dabei gilt es aber zu beachten, dass der reflektierte Laserstrahl nicht abgeschattet wird und in der Empfangszeile deswegen nicht auftreffen kann. Deshalb ist dieses Verfahren für Bohrungen und Kavitäten nur eingeschränkt nutzbar. Häufig von Bedeutung ist der sehr kleine Messfleckdurchmesser der Serie optoNCDT, der mit Lasersensoren realisiert werden kann. Dieser liegt im Bereich von wenigen Mikrometern und kann deshalb auch auf Objekte in dieser Größenordnung angewendet werden.

In Sägewerken befindet sich nach dem Zersägen des Baumstammes noch die sogenannte Waldkante an den Flanken des Bretts. Um diese Waldkante mit möglichst wenig Verlust automatisiert entfernen zu können, ist es notwendig an mehreren Stellen das Profil des Bretts zu erfassen. Verwendet werden dafür Lasertriangulationssensoren wegen des großen Grundabstands. Wirbelstrom eignet sich aufgrund des nichtleitenden Messobjekts Holz nicht. Kapazitive und konfokale Sensoren könnten zwar Holz erfassen, haben aber eine zu geringen Grundabstand, wodurch die Gefahr der Beschädigung eines Sensors zu groß wäre. Die Lasersensoren sind direkt in die Besäumanlage von Sägewerken integriert und erlauben dadurch eine automatische Justierung der Schnittbreite.

Das konfokal-chromatische Messprinzip
Polychromes Licht (Weißlicht) wird, ausgehend von der Lichtquelle in der Auswerteeinheit, über einen Lichtwellenleiter zum Sensor übertragen. Die dort befindlichen Linsen sind so angeordnet, dass durch kontrollierte chromatische Abweichung das Licht in Längsrichtung der optischen Achse in monochromatische Wellenlängen aufgeteilt wird. Diese Optik fokussiert das Lichtbündel auf die Messobjektoberfläche. Abhängig vom Abstand befinden sich damit unterschiedliche Spektralfarben im Fokus. Im Sensorsystem wird diejenige Lichtwellenlänge zur Messung herangezogen, die sich exakt auf dem Messobjekt fokussiert. Das von diesem Punkt reflektierte Licht wird über eine optische Anordnung auf ein lichtempfindliches Sensorelement abgebildet, auf der die zugehörige Spektralfarbe erkannt und ausgewertet wird. Durch eine werkseitige Kalibrierung wird jeder Wellenlänge ein definierter Abstandspunkt zugeordnet.

Dieses Prinzip erlaubt eine Messung auf nahezu allen Oberflächen. Bei transparenten Materialien kann sogar eine Dickenmessung mit nur einem Sensor erfolgen, indem auch das Spektrum der zweiten Oberfläche interpretiert wird. Weil die verschiedenen Wellenlängen des Lichts als Medium verwendet werden, bietet dieses Verfahren eine extrem hohe Auflösung im Nanometerbereich. Laserschutzmaßnahmen muss dabei keine Beachtung geschenkt werden. Auch hier gilt eine saubere Umwelt zumindest im Strahlengang als obligatorisch. Einschränkend gilt für dieses Verfahren die begrenzte Distanz zwischen Sensor und Messobjekt.

Konfokale Sensoren finden z. B. Einsatz bei einem von Micro-Epsilon selbst entwickelten Prüfstand. Es gilt Glasplatten für Solaranlagen und Displayabdeckungen auf Beschädigungen direkt nach der Produktion zu prüfen. Dafür wird eine Glasscheibe automatisch auf einem Messtisch platziert, damit sie absolut vibrationsfrei geprüft werden kann. An einem Messbalken platzierte konfokale Sensoren traversieren über das Glas und erfassen über mehrere Spuren Dicke, Planarität, Risse und sonstige Eigenschaften der Glasscheibe. Jedes andere Messverfahren ist für diese Anwendung ungeeignet. Glas ist nicht elektrisch leitend und auch nicht opak genug für einen Lasersensor. Ein kapazitiver Sensor misst zu flächig, als dass Risse erkannt werden könnten.

Die richtige Auswahl treffen
Da für die Vielzahl der verschiedenen Anwendungen auch unzählig verschiedene Randbedingungen gelten, gibt es keinen Sensor, der für alle Anwendungen geeignet ist. Alle Verfahren bieten verschiedene Vorteile und Einschränkungen. Zur Auswahl des richtigen Sensors für eine spezielle Messaufgabe muss sich der Anwender unter anderem folgende Fragen stellen:

• Welche Genauigkeit wird benötigt?
• Aus welchem Material besteht das Messobjekt?
• Wie ist die Oberfläche ausgebildet?
• Ist das Messobjekt leitfähig?
• Bei welcher Umgebungstemperatur wird der Sensor verwendet?
• Ist die Umgebungstemperatur statisch oder ändert sie sich laufend?
• Was genau soll gemessen werden? Weg, Winkel, Krümmung usw.
• In welchem Medium wird der Sensor eingesetzt?
• Können mechanische Belastungen auftreten?
• Welcher Messbereich wird benötigt?

Um die von der Messaufgabe abhängige Entscheidung zugunsten eines Prinzips zu vereinfachen, sollen nun die verschiedenen Messverfahren miteinander verglichen werden. Dazu dienen die abgebildeten Tabellen, die zeigen, in welchen Kriterien ein Messverfahren besondere Vorteile aufweist bzw. welche Kriterien im Vergleich zu anderen als problematisch zu bewerten sind. (Tabelle 1 und 2)