07.05.2014

Intelligente Integration

Um Wege, Verformungen, Dehnungen, Abstände, Positionen und weitere geometrische Größen zu erfassen, wird heute neben den taktilen (tastenden) Sensoren die berührungslose Messtechnik eingesetzt. Messprinzip-bedingt haben diese Sensoren Vorteile für die zunehmend schnellen und automatisierten Fertigungs- und Prüfprozesse: Sie nehmen Messpunkte oft schneller und genauer auf als die ´Taster´. Zudem stehen Messdaten meist in Echtzeit zur Verfügung und können die Fertigung automatisch regeln und steuern.

Autor: Johann Salzberger, Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG.


Autor: Dipl.-Phys. Johann Salzberger, Geschäftsführer Marketing und Vertrieb, Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co.KG
Autor: Dipl.-Phys. Johann Salzberger, Geschäftsführer Marketing und Vertrieb, Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co.KG

Was versteht der Anwender unter dem Begriff 'Sensorintegration'? Einerseits ist es die physische Integration; sind z.B. die Sensoren für schmutzige und verölte Umgebungen mit starken Temperaturschwankungen und Vibrationen geeignet oder kann die Größe und Form an die jeweiligen Einbaubedingungen angepasst werden? Auf der anderen Seite geht es um eine Integration der Daten: ´Smarte´ Sensoren mit integriertem Controller verarbeiten die Daten vorab im Sensor und liefern sie an eine Steuerung weiter. Schnittstellen für Echtzeit-Datenbusse, wie z.B. Ethernet und Ethercat, tragen zu einer Integration der Daten in den Prozess bzw. Datenfluss der Maschine bei. Im folgenden sollen die Vorteile der verschiedenen Sensorprinzipien herausgearbeitet werden.

Wirbelstromsensoren

Industrielle Umgebungen sind oft schmutzig, staubig, feucht und ölig. Zudem können die Maschinen großen Temperaturschwankungen ausgesetzt sein. Ferner ist in den vorhandenen Strukturen oft nur ein eingeschränkter Einbauraum für die Sensoren vorhanden. Für die Weg-, Abstands- und Positionsmessung unter solchen Bedingungen eignen sich am Besten Wirbelstromsensoren, die sich bis in den Subminiaturbereich verkleinern lassen und hohen Drücken stand halten. Das Wirbelstrom-Prinzip findet Anwendungen bei Messungen an elektrisch leitenden Werkstoffen, die sowohl ferromagnetische als auch nicht-ferromagnetische Eigenschaften haben können. Eine in ein Sensorgehäuse eingebaute Spule wird dabei vom hochfrequenten Wechselstrom durchflossen. Das elektromagnetische Spulenfeld induziert im leitfähigen Messobjekt Wirbelströme, wodurch sich der resultierende Wechselstromwiderstand der Spule ändert. Aus dieser Impedanzänderung resultiert ein elektrisches Signal, das dem Abstand des Messobjekts zur Sensorspule proportional ist. Die von der Sensorspule ausgehenden hochfrequenten Feldlinien durchdringen auch nichtmetallische Stoffe, wodurch Messungen bei starker Verschmutzung und durch Isolatoren möglich werden. Dieser Vorteil lässt die Messung auf metallische Objekte zu, die mit Kunststoff überzogen sind. Mit der Wirbelstromtechnologie ist man in der Lage submikrometergenaue Messungen durchzuführen. Die Sensoren können auch für hohe Temperaturen ausgelegt werden. Um die Flexibilität der Wirbelstromsensoren zu erhöhen, wurden die Embedded Coil Technology-Sensoren (ECT) entwickelt, die auf eine herkömmlich gewickelte Spule verzichten. Stattdessen wird eine flache Spule in ein anorganisches Material form- und temperaturstabil eingebettet. Durch den miniaturisierten Sensoraufbau in anorganischem Material sind nahezu alle Freiheitsgrade für die äußere Form gegeben. Bei Bedarf kann die gesamte Auswerteelektronik in den Sensor integriert werden. Damit lassen sich ECT-Sensoren an spezielle Einbausituationen anpassen und sind für die härtesten Einsatzbereiche geeignet.

Kapazitive Sensoren

Das kapazitive Messverfahren zählt zu den klassischen Prinzipien der industriellen Wegmessung. Die Sensoren werden überall dort eingesetzt, wo präzise und stabile Ergebnisse gefordert werden. Im Unterschied zu den Wirbelstromsensoren, benötigen sie eine saubere und trockene Umgebung. Beim kapazitiven Messprinzip bilden Sensor und Messobjekt die 'Platten' eines idealen Kondensators: Durchfließt ein Wechselstrom mit konstanter Frequenz und Amplitude den Sensorkondensator, so ist die Amplitude der Wechselspannung am Sensor proportional dem Abstand zum Messobjekt. Als elektromagnetisches Verfahren misst ein kapazitives Messsystem auf allen Metallen mit stabiler Empfindlichkeit und Linearität. Kapazitive Sensoren können auch Abstände gegen Isolatorwerkstoffe messen. Der Messspalt muss jedoch frei und sauber bleiben, da ein zusätzliches Dielektrikum im Spalt erfasst wird und die Messergebnisse verfälscht. Kapazitive Sensoren zählen zu den genauesten Messsystemen - es werden Auflösungen von weit unter einem Nanometer erzielt. Sie werden eingesetzt, um Vibration, Verformung und Dicke zu messen.

Laser-Triangulationssensoren

Die Laser-Trinagulation zählt zu den optischen Standardmessverfahren. Die Triangulation basiert auf einer geometrischen Beziehung: Eine Laserdiode emittiert einen Laserstrahl, der auf das Messobjekt gerichtet ist. Die reflektierte Strahlung wird über eine Optik auf einer CCD-/CMOS-Zeile abgebildet. Der Abstand zum Messobjekt kann über eine Dreiecksbeziehung von der Laserdiode, dem Messpunkt auf dem Objekt und dem Abbild auf der CCD-Zeile bestimmt werden. Die Messauflösung reicht bis in den Bruchteil eines Mikrometers. Die Intensität der reflektierten Strahlung hängt von der Objektoberfläche ab. Mit der Real Time Surface Compensation-Schaltung können die Intensitätsänderungen in Echtzeit geregelt werden. Das optische Prinzip erlaubt je nach Bauart Messabstände von einigen mm bis über 1m. Je nach Anforderungen werden kleine und hochpräzise Messbereiche oder große und genaue Messbereiche realisiert. Der Messpunktdurchmesser bleibt dabei klein.

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Laser-Profil-Scanner

Im laufenden Fertigungsprozess werden nicht nur eindimensionale Größen (Materialdicke, Vibrationen und Abstand) ermittelt, sondern auch eine mehrdimensionale Qualitätskontrolle (Profil- und Konturmessung) durchgeführt. Hier punktet die optische Messtechnik mit Genauigkeit und Messgeschwindigkeit in Hinblick auf die Messobjektoberfläche. Laser-Profil-Scanner führen komplexe 2D/3D-Messaufgaben durch. Hier greift das Prinzip der Laser-Linien-Triangulation (Lichtschnittverfahren). Der punktförmige Laserstrahl wird durch spezielle Linsen zu einer Linie ausgedehnt. Zusammen mit der Information über die Distanz (z-Achse), berechnet der integrierte Controller die Position der Messpunkte entlang der Laserlinie (x-Achse) und gibt beide Werte als 2D-Koordinate aus. Bei einem bewegten Messobjekt oder einem bewegten Sensor entsteht ein 3D-Abbild des Objektes. Es können bis zu 2,56Mio. Punkte/sec erfasst werden. Dank dem integriertem Controller sind die Laser-Scanner kompakt ausgeführt und besitzen eine integrierte, hoch empfindliche Empfangsmatrix. Sie ermöglicht Messungen auf fast allen industriellen Materialien weitestgehend unabhängig von der Oberflächenreflexion. Die integrierte Kontrolleinheit mit Ethernet-Schnittstelle machen den Scanner für eine Inline-Steuerung robotertauglich. So wurde z.B. für die Befestigung direkt am Roboterarm ein 350g Laser-Profil-Scanner entwickelt.

Fazit

Die berührungslose Messtechnik überzeugt durch hohe Präzision und Messgeschwindigkeit, kompakte Größe und schnelle Datenverarbeitung. Jedes der Messprinzipien hat seine Besonderheiten, Vorteile und Einschränkungen, die bei der jeweiligen Anwendung berücksichtigt werden müssen. Anspruchsvolle Anwendungen mit höherer Auflösung, Robustheit, Temperaturstabilität, Linearität oder besonderen Montage- und Einbaubedingungen, erfordern oft Speziallösungen und Kundenanpassungen, denn eine intelligente Integration ist eine Ingenieursaufgabe und lässt sich nur am (Mess-)Ergebnis beurteilen.

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