Lasersensoren in der Messtechnik Laserbasierte Messmethoden im industriellen Einsatz

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Mit Lasersensoren lassen sich in der Messtechnik präzise Ergebnisse erzielen. Dank hochintegrierter Elektronik kombinieren sie Präzision und Wirtschaftlichkeit. Wie funktionieren Lasersensoren und wo lassen sie sich einsetzen?

Einige moderne Sensorsysteme basieren auf der Auswertung eines vom Messobjekt reflektierten Laserstrahls. Sie weisen im Vergleich zu anderen Messtechnologien eine oft höhere Messgenauigkeit bei inzwischen sehr attraktiven Preisen auf, was auf die inzwischen hochintegrierte Auswerteelektronik zurückzuführen ist. Der vorliegende Beitrag zeigt exemplarisch einige der eingesetzten Messverfahren sowie eine mit 3D-Echtzeit-Scanning realisierte Anwendung in der Produktion.

Ähnlich wie Ultraschall- oder Radar-Distanzsensoren arbeiten Laser-Distanzsensoren nach dem Laufzeitprinzip (Bild 1). Im Grundverfahren wird ein kurzer Laserimpuls ausgesendet, der nach Reflexion an einer gegenüberliegenden Messfläche wieder empfangen wird. In einer nachgeschalteten Elektronik wird die Laufzeit des Pulses ermittelt, aus der sich über die Lichtgeschwindigkeit der Abstand zur Messoberfläche berechnen lässt.

Aufgrund der sehr kurzen Laufzeiten sind Lasersensoren nach diesem Prinzip zunächst technologisch sehr aufwendig. Daher wird häufig ein alternativ arbeitendes Verfahren eingesetzt: Ein kontinuierlich ausgesendetes Lasersignal wird hinsichtlich seiner Lichtintensität periodisch mit steigender und/oder fallender Frequenz moduliert. Über eine elektronische Mischstufe, analog oder mit digitaler Signalverarbeitung realisiert, wird ein der Phasenverschiebung zwischen Sende- und Empfangssignal entsprechendes Signal, beispielsweise in Form einer elektrischen Spannung, erzeugt. Aus dieser Phasenverschiebung kann dann auf die Laufzeit und damit auf die Entfernung geschlossen werden.

Prinzip und Aufbau von triangulationsbasierten Sensoren

Ein weiterer Vertreter dieser Sensorgruppe basiert auf einem aus der Geodäsie bekannten geometrischen Prinzip, der Triangulation. Bild 2 zeigt das Prinzip. Ein von einer Laserdiode erzeugter Laserstrahl wird nach der Bündelung in einer Linse auf die Oberfläche des Messobjektes gerichtet. Voraussetzung für die weitere Funktion ist nun, dass es sich nicht um eine glatte, spiegelnde Oberfläche handelt. Wesentlich ist vielmehr, dass die Oberfläche eine gewisse Struktur aufweist, so dass entsprechende Streuungen nach allen Seiten erfolgen und der erzeugte Lichtfleck auch seitlich sichtbar ist.

Von vornherein ungeeignete Oberflächen können jedoch zum Beispiel durch Aufkleben eines entsprechenden Folienstücks entsprechend präpariert werden. Im Inneren des Sensorgehäuses befindet sich eine weitere Linse, über die der Lichtfleck auf eine bestimmte Position eines Empfangsdetektors abgebildet wird. Je nach Abstand zum Messobjekt befindet sich der Bildpunkt an einer anderen Stelle im Detektor. Je nach Abstand sieht der Detektor den Laserpunkt sozusagen aus einem anderen Blickwinkel. Über entsprechende geometrische Beziehungen kann dann aus der Position des Bildpunktes auf die Entfernung geschlossen werden.

Der Detektor wird entweder als positionssensitiver Detektor (PSD) ausgeführt. PSDs arbeiten auf Basis sogenannter PIN-Dioden (Positive Intrinsic Negative Diode) und werden mit analogen Schaltungsprinzipien angesteuert. Oder es werden CCD-Zeilensensoren (Charge Coupled Device) und als Abfallprodukt aus der Kameraelektronik Bildsensorchips eingesetzt. Diese Elemente sind pixelorientiert aufgebaut und erlauben das direkte Auslesen einzelner Pixelpositionen. Für spezielle Anwendungen gibt es auch Triangulationsanordnungen, bei denen Sender und Empfänger räumlich getrennt sind. Eine solche alternative Anordnung bietet sich insbesondere bei spiegelnden Oberflächen an, die nicht durch Aufkleben einer Folie angepasst werden können.

Mit dem Laser die Geschwindigkeit messen

Die Messung der Geschwindigkeit erfolgt im einfachsten Fall durch Bestimmung der Zeit, die ein Messobjekt zwischen zwei definierten Punkten mit bekanntem Abstand zurücklegt. Die Geschwindigkeit lässt sich dann bekanntermaßen durch Division der beiden Größen ermitteln. Bild 3 zeigt die Funktionsweise eines laserbasierten Geschwindigkeitssensors nach diesem Verfahren. Der Sensor misst zweimal kurz hintereinander nach dem bereits beschriebenen Laufzeitmessprinzip den Abstand eines Objekts, das sich weitgehend frontal auf den Sensor zu oder von ihm weg bewegt.

Aus der Abstandsänderung und der zwischen den beiden Messungen verstrichenen Zeit kann die Geschwindigkeit bestimmt werden. Das Verfahren kann in einer weiteren Ausführungsform auch so realisiert werden, dass an zwei definierten Punkten in der Bewegungsbahn des Messobjektes Lichtschranken jeweils das Passieren des Messobjektes anzeigen. Die Lichtschranken sind in einem bekannten Abstand zueinander angeordnet. Gemessen wird die Zeit zwischen dem Passieren der beiden Punkte. Allen derartigen Messanordnungen ist gemeinsam, dass die Messung prinzipbedingt eine gewisse Messzeit benötigt und in dieser Zeit die mittlere Geschwindigkeit des Messobjektes ermittelt wird, also keine echte Momentangeschwindigkeit.

Für viele anspruchsvollere Anwendungen der Geschwindigkeitsmessung an bewegten Teilen in der Industrie wird daher ein anderes Verfahren verwendet, das wiederum den Dopplereffekt ausnutzt. Es funktioniert wie in Bild 4 skizziert. Zwei um einen kleinen Winkel zur Mittelachse versetzte Laserstrahlen werden auf einen Punkt der Messoberfläche gerichtet. Die Laserstrahlen sind in ihrer Lichtintensität sinusförmig mit einer Frequenz f moduliert (auf die in der Praxis übliche Anhebung einer der beiden Frequenzen um einen konstanten Betrag, die eine zusätzliche Detektion der Bewegungsrichtung ermöglicht, soll hier nicht eingegangen werden).

Im Projektionspunkt entsteht durch die Überlagerung ein Interferenzmuster. Bei Bewegung der Messoberfläche, die dazu eine gewisse Struktur aufweisen muss, erfährt das rückgestreute Laserlicht eine Frequenzverschiebung, die proportional zur Geschwindigkeit des Messobjektes ist. Im Streulicht sind auch noch andere Frequenzanteile vorhanden, die jedoch in der nachgeschalteten Messelektronik nicht weiter ausgewertet werden. Dieses Verfahren ermöglicht mit die höchsten Auflösungen und Genauigkeiten unter den industriell eingesetzten Standardverfahren, ist aber auch entsprechend teurer. Die Sensoren werden auch als Laser Surface Velocimeter bezeichnet.

3D-Echtzeit-Scans mit einem Laser

In den letzten Jahren sind zunehmend miniaturisierte Versionen von Sensormodulen auf den Markt gekommen, die mit einem Laserstrahl sehr schnell die Umgebung abtasten und so ein dreidimensionales Bild gewinnen. Das zugrundeliegende Lidar-Verfahren steht für Light Detection and Ranging und ist in seinem Grundprinzip in Bild 5 skizziert. Ein Laserstrahl tastet in schneller Folge einen Raumbereich ab, indem die Lasereinheit selbst oder eine davor angeordnete Spiegelanordnung systematisch in zwei Raumrichtungen abgelenkt wird.

Alternativ sind beispielsweise auch rotierende Anordnungen denkbar, wie sie bevorzugt bei Rundum-Sichtsystemen zum Einsatz kommen. Mit einer bestimmten Auflösung wird dann für jede neue Position des Laserstrahls dessen Laufzeit gemessen, woraus sich die Entfernung des Lidar-Sensors zum abgetasteten Oberflächenpunkt bestimmen lässt. In einem entsprechenden Dateiformat wird jedem Raumpixel ein Entfernungswert zugeordnet. Das Ergebnis ist somit ein dreidimensionales Bild aus der Perspektive des Sensors. Gegenüber dem herkömmlichen dreidimensionalen Bild, wie es der Mensch mit seinen beiden Augen erzeugt, ist es entsprechend verzerrt, was aber durch entsprechende Algorithmen korrigiert werden kann.

Entgegen dem in Bild 5 dargestellten Grundprinzip gibt es bei diesem Modultyp (wie auch bei vielen anderen auf dem Markt erhältlichen Modulen) keine echte Ablenkung eines Laserstrahls in vertikaler Richtung. Vielmehr gibt es 16 parallele Laserstrahlengänge, die jeweils um 2° versetzt für einen vertikalen Sektor zuständig sind. Dass dabei nur 16 Raumpixel vertikal abgetastet werden, ist für viele Anwendungen, beispielsweise für die Navigation fahrerloser Fahrzeuge, völlig ausreichend. Ergänzend sei angemerkt, dass Hersteller ihre einfachen, eindimensional messenden Laserdistanzsensoren teilweise auch als Lidar-Sensoren bezeichnen, was jedoch von der ursprünglichen Interpretation des Begriffs abweicht.

Der Einsatz von Lidar-Systemen in der Praxis

In Zusammenarbeit mit JELBA Werkzeug- und Maschinenbau wurde untersucht, inwieweit in einer Produktionshalle installierte Lidar-Module zur Detektion und Überwachung bewegter Objekte (Transportsysteme, Maschinenteile oder Tragarme) eingesetzt werden können. Auch die Detektion von Personen, zum Beispiel in Gefahren- oder Schutzbereichen, wurde untersucht. Bild 6 zeigt ein entsprechend optisch aufbereitetes entzerrtes Bild, bei dem jedem Pixel ein Entfernungswert zugeordnet ist und die Pixelfarbe mit diesem korreliert. Eine typische Installation vernetzt auf unterster Ebene eine kleinere Anzahl von Lidar-Messmodulen miteinander (Basisnetzwerk) und verfügt über einen zusätzlichen Controller, der für die KI-basierte Auswertealgorithmik zuständig ist. Mehrere Basisnetze können zu einem Gesamtsystem vernetzt werden, das auch größere Flächen überwachen kann.

Die zu erkennenden Objekte müssen dem System durch einen Teach-In-Prozess eingelernt werden und können dann im Produktivbetrieb erkannt und verfolgt werden. Die Ergebnisse dieser Forschungsarbeiten waren sehr ermutigend, so dass eine generelle Anwendung zur Überwachung von Produktionsbereichen sowie an einzelnen Maschinen in Zukunft sehr sinnvoll erscheint. Auch für Anwendungen außerhalb der Produktion könnte diese Technologie vorteilhaft eingesetzt werden. Beispiele sind Sicherheitsüberwachung von gewerblichen oder öffentlichen Einrichtungen, Überwachung von Verkehrsinfrastrukturen (z.B. Bahngleise, Parkhäuser oder Tunnel), messtechnische Begleitung von Bauvorhaben oder Monitoring im Sport (z.B. Ball- oder Spielerverfolgung beim Fußball). (heh)

Lesen Sie außerdem

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Wechselspannung: Was bei der Messung periodischer Wechselgrößen zu beachten ist

Referenzen

[1] Jörg Böttcher: Kompendium Messdatenerfassung und -auswertung. ISBN 978-3-7386-2255-3 (Paperback) oder ISBN 978-3-7392-7714-1 (E-Book), Verlag: Books on Demand (www.bod.de).

[2] Jörg Böttcher: Kompendium Messtechnik und Sensorik (2. Auflage). ISBN 9783751932967 (Paperback) oder ISBN 9783752632491 (E-Book), Verlag: Books on Demand (www.bod.de).

* Prof. Dr. Jörg Böttcher hat eine Professur für Regelungstechnik und Elektrische Messtechnik an der Universität der Bundeswehr München inne.

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