Lasersensoren Distanzen messen: Messverfahren kombiniert Lichtlaufzeit und Phasenversatz

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DIMETIX AG

Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG

Heitec AG

DMB Technics AG

Sowohl kurze Distanzen von 0,05 m als auch längere Distanzen bis 500 m lassen sich mit speziellen Lasersensoren ermitteln. Dazu kombinieren die Sensoren die Messverfahren Laufzeit und Phasenversatz.

Laserdistanzsensoren messen entweder die Lichtlaufzeit oder die Phasenverschiebung. Beide Verfahren haben Vor- und Nachteile: Die Lichtlaufzeitmessung ist schnell, durch die anspruchsvolle Zeitmessung aber oft nicht ausreichend genau. Die Messung der Phasenverschiebung ist deutlich genauer, aber durch die aufwendigere Auswertung nicht so schnell wie die reine Laufzeitmessung. Wenn Anwendungen es erfordern, dass große Distanzen mit hoher Genauigkeit und möglichst schnell gemessen werden sollen, sind deshalb beide Verfahren nicht ideal. Stattdessen bietet es sich an ihre Vorteile zu kombinieren. Das Resultat sind Long-Distance-Sensoren, die Entfernungen von 0,05 bis 500 m auf den Millimeter genau messen.

Die Vorteile beider Messverfahren nutzt der Schweizer Sensorikspezialist Dimetix: Bei ihren Long-Distance-Lasersensoren wird sowohl Laufzeit als auch Phasenversatz ausgewertet. Um eine hohe Messgeschwindigkeit zu erreichen, arbeitet das Verfahren mit einer Hochfrequenzmodulation der Laseramplitude und wertet die Phasenlage und den Abstand dier aufmodulierten Hochfrequenzsignale (Bursts) aus.

Dabei wird der Laserstrahl in kurzen Abständen amplitudenmoduliert (Bild 2). Es lässt sich sehr schnell die entfernungsabhängige Laufzeitverschiebung der einzelnen Pulspakete messen, aber auch die Phasenverschiebung der einzelnen Wellen zueinander innerhalb der modulierten Pakete. Die Sensoren messen deshalb schneller als normalerweise üblich und liefern bei großen Entfernungen genaue Werte. Die Messgeschwindigkeit reicht bis 250 Hz bei einer Ausgaberate von 1 kHz.

Das Innenleben eines Sensors besteht aus einer Vielzahl aufeinander abgestimmter Komponenten: optischem Sender mit Laserdiode und ultraschnellem Treiber, Empfänger mit Linse, Filter und Analog/Digital-Wandler, leistungsstarker digitaler Signalverarbeitung, Speicher, Eingabe- und Anzeigeelementen und einer großen Anzahl an digitalen sowie analogen Industrie-Schnittstellen. Das alles ist in einem kompakten, für den industriellen Einsatz ausgelegten Gehäuse untergebracht. Eine Sensorvariante ist zusätzlich mit einer integrierten Heizungsfunktion verfügbar, sodass die Lasersensoren auch im kalten Outdoor-Bereich ohne externe Heizung arbeiten können.

Eine Genauigkeit von ±1 mm

Die Laserdistanzsensoren der D-Serie eignen sich für Distanzen von 0,05 bis 500 m und messen mit einer Genauigkeit von ±1 mm bei einer Wiederholgenauigkeit von ±0,3 mm. Sie arbeiten üblicherweise gegen eine orange Reflexfolie. Bei Distanzen bis 100 m gelten die Genauigkeitswerte auch für natürliche Oberflächen und selbst bei schwarzen Zielflächen oder direkter Sonneneinstrahlung im Außeneinsatz können die Geräte zuverlässige Messergebnisse liefern.

Ihre Messgenauigkeit wird mit einer statistischen Sicherheit von 95,4 Prozent spezifiziert (entsprechend ISO 1938-2015). Das ist gleichbedeutend mit ±2 σ, also 4-mal die Standardabweichung. Distanzfehler durch Temperatureinflüsse und Linearitätsfehler sind bereits berücksichtigt. Diese Messgenauigkeit wird laufend in umfangreichen Tests verifiziert.

Bild 4 zeigt die statistische Verteilung einer solchen 24-Stunden-Testmessung mit über 21 Mio. aufgezeichneten Distanzmessungen. Zusätzlich zeigt die entsprechende Gauss-(/Normal-)Verteilung den Zusammenhang zu der erwähnten statistischen Sicherheit von 95,4 Prozent, was 4-mal der Standardabweichung entspricht.

Dank ihrer Abmessungen von 140 mm Länge, 78 mm Breite und 48 mm Höhe lassen sich die Distanzsensoren mit einem Gewicht von 350 g in unterschiedliche Anwendungen integrieren. Beispielsweise messen sie am Mast eines Regalbediengerätes millimetergenau die Positionen, an welchen die Regalfächer bedient werden.

Ein ähnlicher Anwendungsfall findet sich bei ASRS-Shuttle-Systemen, die in vielen Distributionszentren zur Auftragsabwicklung und Lagerung eingesetzt sind. Mithilfe der Sensoren kann der Shuttle millimetergenau an der Stelle platziert werden, an der Produkte ein- oder ausgeladen werden müssen. Das robuste Gehäuse erfüllt die Anforderungen nach IP65, bietet damit auch in rauer Industrieumgebung und beim Außeneinsatz Schutz, beispielsweise beim Einsatz an Tunnelbohr- oder Baumaschinen.

Verschiedene Schnittstellen

Die Laserdistanzsensoren werden in acht unterschiedlichen Varianten angeboten, die bei sonst gleichen Eigenschaften unterschiedliche Anforderungen an Reichweite und Auflösung abdecken. Bei Innenanwendungen genügt meist ein Temperaturbereich von -10 bis 50 °C. Standardmäßig integriert sind ein Analogausgang 0/4 bis 20 mA, serielle Schnittstellen sowie digitale Ein- und Ausgänge. Als Option stehen PROFINET, EtherNet/IP und EtherCAT zur Verfügung.

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