Distanzmessung mittels Distanzsensoren in der Laser-Sensorik

Laser Distanzsensoren (auch optoelektronische Sensoren) werden in vielen Bereichen der Industrie und Forschung eingesetzt, um Distanzen sicher und schnell zu messen. Dabei wird in der Regel das Verfahren der Triangulation, der Laufzeitmessung oder der Phasenverschiebung zur Distanzmessung verwendet. Jedes dieser Messverfahren bietet dabei unterschiedliche Vorteile und Nachteile.

Die WayCon Positionsmesstechnik GmbH bietet als Spezialist in der Distanzmessung und Präzisionsmessung für kundenspezifische Messapplikation alle Laser-Messverfahren an, damit der optimale Laser Distanzsensor ausgewählt wird.

Lasertriangulation

Beim Lasertriangulationsverfahren sendet der Emitter des Sensors einen kontinuierlichen Laserstrahl aus, der auf das Messobjekt trifft. Der Laserpunkt auf dem Messobjekt, welcher eine diffuse Lichtstreuung besitzt, wird anschließend vom Empfänger des Sensors erfasst. Die Entfernung zwischen Messgerät und Messobjekt wird anhand des Winkels zwischen dem ausgesandten und dem empfangenen diffusen Licht ermittelt. Vorteile des Lasertriangulationsverfahrens sind die hohe Messfrequenz und Genauigkeit, die bei diesem Verfahren erreicht werden können. Auf Grund des Aufbaus, der einen Emitter und einen separaten Empfänger erfordert, ist die Reichweite dieses Messverfahrens begrenzt. Bei steigender Entfernung des Messobjekts zum Sensor muss auch die Distanz zwischen Sender und Empfänger steigen, daher eignet sich das Triangulationsverfahren nur für kürzere Messbereiche.

Ein Beispiel für Sensoren zur Distanzmessung, die mit dem Triangulationsprinzip arbeiten, ist der Lasersensor LAW. Die LAW Serie zeichnet sich durch ihre hohe Messfrequenz von 30 kHz aus. Der hochpräzise Sensor misst bei einem Messbereich von 4 mm mit einer Linearität von 2 µm.

Laufzeitmessung

Bei der Laserlaufzeitmessung wird ein kurzer Lichtimpuls ausgesendet, der vom Messobjekt zum Sensor zurückgeworfen wird. Um eine sichere Reflektion zu erzielen, wird auf längeren Distanzen hierfür eine Reflektionsfolie eingesetzt. Dank der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit kann die Entfernung zwischen Sensor und Messobjekt einfach anhand der Zeit zwischen Aussenden und Empfangen des Lichtimpulses berechnet werden. Da bei diesem Verfahren Sender und Empfänger dicht beieinander liegen können, ist es möglich größere Entfernungen als bei der Triangulation zu Messen. Durch die anspruchsvolle Zeitmessung, die bei dieser Methode verwendet wird, leiden jedoch Genauigkeit und Auflösung.

Mit einem Messbereich von bis zu 50 m bietet der Laserlaufzeitsensor LAV einen deutlich größeren Messbereich als Triangulationssensoren. Der Arbeitstemperaturbereich von -30 bis +55 °C ermöglicht es zudem, dass der Laserlaufzeitsensor LAV in Bereichen eingesetzt werden kann, in denen andere Lasersensoren keine Verwendung mehr finden können.

Phasenverschiebungsmessung

Das Messverfahren der Phasenverschiebung macht sich die Welleneigenschaften des Lichts zu nutze. Dabei wird die Phase des vom Messobjekt reflektierten Laserstrahls mit der des ausgesandten Laserstrahls verglichen. Anhand der Phasenverschiebung zwischen den beiden Laserstrahlen kann der Abstand zum Messobjekt äußerst präzise bestimmt werden. Ebenso wie Laufzeitsensoren erreichen Phasenverschiebungssensoren sehr hohe Messreichweiten, sind dabei jedoch deutlich präziser als Laufzeitsensoren. Aufgrund des aufwendigeren Auswerteverfahrens sind Laserdistanzsensoren, die mittels Phasenverschiebungsvergleich messen, jedoch deutlich langsamer.

Der Laserdistanzsensor LLD-150 misst nach diesem Verfahren. Dabei erreicht der Sensor beeindruckende Reichweiten bis 150 m und verfügt trotz der großen Distanz über eine Linearität von ±3 mm.

Messverfahren kombinieren

Da der Aufbau von Sender und Empfänger bei den Messverfahren der Laufzeitmessung und Phasenverschiebungsmessung ähnlich sind, lassen sich diese Verfahren und somit auch die Vorteile der Verfahren gut kombinieren. Laserdistanzsensoren der Serie LDI ermöglichen genau das. Die Sensoren erreichen mit einem Messbereich von 500 m größere Distanzen als alle anderen Sensoren ihrer Klasse. Dabei sind sie mit einer Linearität von bis zu ±1 mm und einer Messfrequenz von 50 Hz nicht nur äußerst präzise, sondern auch noch vergleichsweise schnell. Noch beeindruckender ist ihre Wiederholgenauigkeit von gerade einmal ±0,3 mm.

Um die volle Reichweite des Lasersensors LDI auszunutzen, wird am Messobjekt eine Reflexionsfolie angebracht, die einen hohen Reflexionsgrad bietet. Ist die volle Reichweite für die Applikation nicht erforderlich, kann auch auf andere Oberflächen gemessen werden, wodurch sich der Messbereich auf 100 m verringert. Dabei liefert der Lasersensor auch auf schwierigen Oberflächen eine sehr gute Performance. Selbst heiße Oberflächen, wie sie in der Stahlindustrie zu finden sind, stellen für den LDI kein Problem dar. Zusätzlich ermöglichen das kleine Gehäuse (140 mm x 78 mm x 48 mm) und die große Auswahl an Ausgangssignalen (0...20 mA, RS232, RS422, RS485, SSI, ProfiNet, EtherNet und EtherCAT) eine einfache Installation und Systemanbindung bei einer Vielzahl von Anwendungen. So kann zum Beispiel in der Füllstandmesstechnik ein Netzwerk aus Lasersensoren verwendet werden, um eine Oberfläche zu erfassen.