Entfernungsmesstechnik im Technologiewandel Tasten Sie noch oder messen Sie schon?

Lange Zeit war das direkte Messen der Lichtgeschwindigkeit für sensorische Zwecke entweder technisch noch nicht möglich oder aber zu aufwändig und damit zu teuer für Standardanwendungen. Die Pulse-Ranging-Technology ermöglicht jetzt die direkte Lichtlaufzeitmessung und setzt damit neue Maßstäbe in der optischen Distanzmessung.

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Sinn und Zweck aller optischen Methoden der Distanzmessung ist es, mechanische Messmethoden mit Seilzügen, Zahnstangen oder ähnlichen Konstruktionen abzulösen und Abstände bzw. Positionen berührungslos und verschleißfrei zu bestimmen. Dazu bietet es sich an, die bekannte Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts in bodennaher Luft als Maß für die Entfernung zu nutzen. Doch was für die Definition von Abständen zu fernen Galaxien gängige Praxis ist, gestaltet sich bei den vergleichsweise winzigen Abständen in der Automatisierung als große Herausforderung. Die extrem kurzen Lichtlaufzeiten stellen nur kleinste Zeitfenster für die Auswertung zur Verfügung.

Pulse-Ranging-Technology löst indirekte Verfahren ab

Da die bisherigen Möglichkeiten keine wirtschaftliche Umsetzung für ein breiteres Anwendungsfeld erlaubten, war die direkte Lichtlaufzeitmessung nur in wenigen wissenschaftlichen, militärischen und industriellen Einsatzbereichen zu finden. Stattdessen hat man für den Einsatz in Standardsensoren kostengünstige indirekte Messmethoden wie die Triangulation und die Phasenkorrelation herangezogen.

Bei der Triangulation wird die Entfernung aufgrund eines rein geometrischen Zusammenhangs ermittelt. Das Verfahren ist nur für geringe Entfernungen geeignet, da die Auflösung des Systems direkt von der Entfernung zwischen Sender und Empfänger abhängt. Das heißt mit größer werdender Messentfernung muss auch der Abstand zwischen Sender und Empfänger vergrößert werden. Dies hat unweigerlich einen Einfluss auf die Größe des benötigten Gehäuses. Im praktischen Einsatz der Fabrikautomation sind Messbereiche oberhalb 500 mm deshalb kaum noch anzutreffen.

Grenzen gängiger Verfahren

Den derzeitigen Stand der Technik markiert das ebenfalls indirekte Messverfahren Phasenkorrelation. Die dabei gemessene Phasenverschiebung - zwischen gesendetem und empfangenem Licht - ist das Maß für die Entfernung. Die Phasenkorrelation erreicht zwar eine hohe Auflösungen bei moderaten Kosten, aber aufgrund der kontinuierlichen Abstrahlung des Lichts ist die Leistung relativ gering. Die Phasenkorrelation wird häufig mit „Lichtlaufzeitmessung“, „Time-of-Flight“ und ähnlichen Begriffen umschrieben. Das hat aber nichts mit dem echten, im Nachfolgenden beschriebenen, Puls-Laufzeit-Verfahren zu tun, auch nicht wenn es in optisch aktive ICs integriert ist.

Einschränkungen hierbei ergeben sich durch die Gefahr falscher Ergebnisse aufgrund von Mehrdeutigkeiten beim Überschreiten der maximal zulässigen Reichweite; sie ist durch die maximale Phasenverschiebung von 360° klar begrenzt. Dieser Effekt lässt sich nur durch aufwändige Zusatzmaßnahmen sicher beherrschen.

Weitere Probleme bereiten der Phasenkorrelation ungünstige Objektoberflächen oder mehrere Objekte, die sich dem Messstrahl gleichzeitig von verschiedenen Seiten nähern. Insbesondere dunkle Materialien mit geringem Reflexionsfaktor führen zu relativ großen Schwarz/weiß-Differenzen.

Direktes Messverfahren kostengünstig realisiert

Direkte Messverfahren wie die klassische Puls-Laufzeit-Messung waren bis jetzt – zumindest für allgemeine Anwendungen der industriellen Automation – technisch zu aufwändig und folglich zu teuer.

Die technische Herausforderung besteht darin, Sende- und Empfangszeitpunkte hochgenau zu erfassen, um daraus die exakte Lichtlaufzeit und schließlich die aktuellen Entfernungen zu berechnen. Dieses Verfahren ist für hohe Messbereiche bis zu mehreren Kilometer geeignet und ist bisher ein sehr teures Messverfahren im Bereich der Entfernungsmessung.

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