Micro-Epsilon: Berührungslose Oberflächen-Mess- und Prüftechniken

Technologien zur Werkstoffprüfung im Vergleich

17.04.2009 | Autor / Redakteur: Florian Hofmann / Ines Stotz

Messprinzip der Laser-Triangulationssensoren: Der reflektierte Laserpunkt wird von der Empfangszeile aufgenommen und über die Position der Abstand präzise gemessen
Messprinzip der Laser-Triangulationssensoren: Der reflektierte Laserpunkt wird von der Empfangszeile aufgenommen und über die Position der Abstand präzise gemessen

Optische Messtechniken spielen bei der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung eine übergeordnete Rolle. Um für die jeweilige Anwendung das richtige Messprinzip auswählen zu können, ist es vorteilhaft, sich mit den Funktionsweisen und einigen Hintergründen zu Lasertriangulation, 2D/3D Laser-Linienscanner sowie der relativ jungen konfokal chromatischen Technologie vertraut zu machen.

Mit dem Triangulationsprinzip werden Abstände gegen ein breites Spektrum von Materialoberflächen gemessen. Abhängig davon, ob ein Laserpunkt oder eine Linie auf die Objektoberfläche projiziert wird, erhält man ein ein- oder zweidimensionales Ausgangssignal. Dazu werden Punkt oder Linie über eine Empfangsoptik in einem spitzen Winkel betrachtet und auf einem positionsempfindlichen Element (CCD-Zeile oder -Matrix) abgebildet. Ein schneller Signalprozessor verarbeitet die Messwerte dann digital. Schließlich erfolgt die Datenausgabe sowohl als Analogwert als auch über eine serielle Schnittstelle. Wird das Messobjekt oder alternativ der Sensor bewegt, lässt sich über diese weitere Dimension auch ein dreidimensionales Profil des Objektes erzeugen.

Konfokale Wegsensoren beruhen auf einem optischen Messprinzip, das die so genannte chromatische Aberration des Lichtes gezielt ausnutzt. Darunter versteht man die unterschiedliche Brechung von Licht in Abhängigkeit von seiner Wellenlänge. Der Effekt führt zum Beispiel zur Entstehung eines Regenbogens oder der Aufspaltung von weißem Licht durch ein Prisma.

Lasertriangulation

Die Methode der Lasertriangulation basiert auf einer einfachen geometrischen Beziehung. Eine Laserdiode emittiert einen Laserstrahl, der auf das Messobjekt gerichtet ist. Die dort reflektierte Strahlung wird über eine Optik entweder auf eine CCD-/CMOS-Zeile oder auf ein PSD-Element abgebildet. Die Intensität der reflektierten Strahlung ist von der Oberfläche des Messobjektes abhängig. Deshalb wird bei analog arbeitenden PSD-Sensoren die Empfindlichkeit geregelt. Bei digitalen CCD-Sensoren regelt die von Micro-Epsilon verwendete RTSC-Schaltung (Real Time Surface Compensation) Intensitätsänderungen ohne Verzögerung aus.

Durch eine einfache trigonometrische Berechnung lässt sich damit der Abstand sehr genau bestimmen. Die mögliche Auflösung reicht dabei bis in den Bereich von Bruchteilen eines Mikrometers. Die Daten werden, je nach Ausführung, über den externen oder internen Controller ausgewertet und über verschiedene Schnittstellen ausgegeben. Punktlaser-Sensoren werden sehr häufig verwendet, da sie einfach in der Anwendung sind und durch den sichtbaren Laserpunkt am Messobjekt auch einfach darauf ausrichtbar sind. Das optische Prinzip erlaubt je nach Bauart Messabstände von mehr als ein m, dabei bleibt der Messpunkt dennoch relativ klein. Je nach gewünschter Genauigkeit werden dabei sehr kleine und präzise Messbereiche oder große und relativ genaue Messbereiche konstruiert. Die Elektroniken vieler Sensormodelle gleichen Schwankungen der Intensität des reflektierten Laserpunkts schnell aus. Nur wenigen Modellen am Markt gelingt eine Regelung dieses Effekts in Echtzeit.

Breites Produktspektrum

Lasertriangulations-Sensoren von Micro-Epsilon sind in mehrfacher Hinsicht besonders. Zum einen beginnt das Spektrum mit low-cost-Modellen und reicht bis zur High-End-Lösung mit besonders hoher Messfrequenz. Die höherwertigen Geräte haben die RTSC-Funktion (Real Time Surface Compensation), mit der Oberflächeneinflüsse durch geänderte Reflexionseigenschaften in Echtzeit ausgeregelt werden.

  • Marktstandard bei Punktlasern der oberen Leistungsklasse ist der CCD-Sensor optoNCDT 1700 mit komplett integriertem Controller. Durch die Unterbringung der gesamten Elektronik in einem kompakten Sensorgehäuse wird dieser Sensor besonders interessant für den Einbau in Maschinen, Produktionsanlagen und Prüfeinrichtungen. Die erforderliche Versorgung (11 bis 30 VDC) und die verschiedenen analogen und digitalen Schnittstellen (vier bis 20 mA, null bis zehn V, RS422, USB) sind für ein sehr breites Einsatzfeld in der Automation konzipiert. Mit der hohen Messrate von 2,5 kHz eignet er sich auch für schnelle dynamische Vorgänge sehr gut.

Durch die Verwendung von hochwertigen Glasoptiken und leistungsfähigen Signalprozessoren werden hohe Genauigkeiten (Linearität 0,08 Prozent) und Auflösungswerte von 0,01 Prozent erzielt. Die angebotenen Modelle decken Messbereiche von zwei bis 750 mm ab. Die Serie 1700 ist auch im dynamischen Verhalten sehr flexibel konstruiert. Sowohl Messraten als auch Mittelungen sind in weiten Bereichen einstellbar. Dies ermöglicht die optimale Anpassung des Sensors an schwierige Oberflächen und Prozesse.

  • Das Spitzenmodel bei Micro-Epsilon in der Lasertriangulation ist die Modellreihe optoNCDT 2220 mit getrennter Ausführung von Sensor und Controller.

Ausgestattet mit einer schnellen CCD-Zeile werden Messraten von 20 kHz realisiert. Dabei lassen sich noch Wegänderungen von 0,0015 Prozent auflösen - dies entspricht 0,03 µm beim kleinsten Messbereich. Das Messbereichsspektrum reicht von zwei bis 200 mm bei hervorragenden Genauigkeiten mit Linearitätsabweichungen von nur 0,03 Prozent des Messbereichs.

Die Serie misst gegen nahezu alle Oberflächen von schwarzem Reifengummi bis zu metallisch glänzenden Flächen. Dazu trägt ganz wesentlich die am Markt einmalige RTSC-Funktion bei: Jeder einzelne Laserpuls wird auf die Oberflächeneigenschaften des Messobjekts geregelt. Damit ist eine Kompensation von Reflektionsänderungen durch variierende Oberflächen in Echtzeit ohne irgendwelche Verzögerungen möglich.

Laser-Triangulationssensoren zählen heute zu den berührungslosen Standardmessverfahren. Sie finden in der Industrie zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten – etwa in Produktionslinien, Mess-, Prüf- und Inspektionssystemen, Maschinenüberwachung oder Forschung und Entwicklung.

Anwendungsbeispiel für die Lasertriangulation

Einsatz von Lasersensoren in Sägewerken zur Messung der Lage und Breite der Waldkante
Einsatz von Lasersensoren in Sägewerken zur Messung der Lage und Breite der Waldkante

Für die Laser-Messtechnik ist der Werkstoff Holz eine große Herausforderung, weil die verschiedenen optischen Eigenschaften häufig schwanken. Genau dafür bietet das Messtechnikunternehmen den preisgünstigen Lasersensor optoNCDT1401 an, der in Besäumanlagen von Sägewerken zum Einsatz kommt.

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