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Berührungslose Wegsensoren im Vergleich

: Micro-Epsilon


Weg- und Abstandssensoren stehen häufig als das genauigkeitsbestimmende Messmodul im Zentrum von komplexen Messsystemen für geometrische Größen. Dabei werden sehr hohe Anforderungen an die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit der Wegsensoren gestellt. Berührungslose Sensoren kommen stets dann zum Einsatz, wenn schnelle Wegänderungen erfasst werden sollen, keine Kräfte auf das Messobjekt ausgeübt werden dürfen, hochempfindliche Oberflächen eine Berührung nicht zulassen oder eine lange Lebensdauer der Sensoren gefordert wird.

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Wegsensoren sind aus dem Maschinenbau nicht mehr wegzudenken. Sie werden verwendet um verschiedene Bewegungen zu kontrollieren, Füllstände zu überwachen, um Produktqualitäten zu überprüfen uvm. Doch gerade in dieser Branche treffen Sensoren auf die unterschiedlichsten und härtesten Bedingungen die erfüllt werden müssen. So müssen Sensoren häufig in widrigsten Umgebungen sicher arbeiten. Wichtige Einsatzkriterien sind Genauigkeit und Temperaturstabilität, Auflösungsvermögen und Grenzfrequenz. Genau deshalb rücken immer wieder andere Vorteile der verschiedenen Messverfahren in den Vordergrund. Sodass keine generelle Aussage über das optimale Messverfahren getroffen werden kann.

In der Praxis haben sich neben kapazitiven und konfokalen Sensoren auch Sensoren der Wirbelstromtechnik und der Lasertriangulation bewährt. Berührungslose Sensoren sind in den unterschiedlichsten Ausführungen erhältlich. Gerade deshalb ist es als Anwender häufig schwierig sich für den richtigen Sensor zu entscheiden. Jedes Messprinzip hat charakteristische Eigenschaften, die in gewissen Situationen als Vor- oder Nachteil ausgelegt werden können.

Das Prinzip Wirbelstrom

Dieses Verfahren ist bei allen elektrisch leitenden Materialien einsetzbar. Da Wirbelströme Isolatoren ungehindert durchdringen, können sogar Metalle hinter einer isolierenden Schicht als Messobjekt dienen. Alle Wirbelstromsensoren sind unempfindlich gegen Schmutz, Staub, Feuchte, Öl und Druck. Dennoch unterliegen Wirbelstromsensoren einigen Einschränkungen in der Anwendung. Für jede Applikation ist beispielsweise eine individuelle Linearisierung und Kalibrierung
notwendig. Ebenso ist das Ausgangssignal von den elektrischen und magnetischen Eigenschaften des Messobjekts abhängig. Nichts desto trotz verhelfen aber genau diese Restriktionen dem Messprinzip eddyNCDT von Micro-Epsilon zu der hohen Auflösung von wenigen zehntel Nanometern.

Eine charakteristische Anwendung für Wirbelstromsensoren befindet sich in einem vollautomatischen Schweißprüfstand. Dieser Prüfstand erfasst die Güte von Schweißnähten, die bei sich bewegenden Nahtflanken erstellt wurden. In diesem Fall wurde als Sensor ein Wirbelstromsensor gewählt, weil nur bei diesem Verfahren die Messergebnisse durch die starken elektromagnetischen Felder des Schweißroboters nicht beeinflusst werden. Der Sensor erfasst hier die Nahtflankenbewegung mikrometergenau, bei einem Messbereich von 4 mm.

Das kapazitive Prinzip

Die kapazitiven Sensoren capaNCDT zählen laut Hersteller zu den präzisesten überhaupt. Es werden Auflösungen von weniger als einem Nanometer erzielt. Geeignetes Beispiel für dieses Messprinzip im Maschinenbau ist die Verformung einer Bremsscheibe unter Belastung. Um genaue Kenntnisse über die Verformung während des Bremsvorganges zu erhalten, muss diese unter extremen Bedingungen geprüft werden. In einem Prüfstand bewegt sich die Bremsscheibe mit einer Drehzahl von 2000 U/min bei einer Temperatur von 600 °C. Für diesen Versuch wird ein Messsystem benötigt, das eine hohe Messrate oder Grenzfrequenz leistet und durch temperaturbedingte Änderungen der magnetischen und konduktiven Eigenschaften des Objekts nicht beeinflusst wird. Zudem muss der Sensor äußerst hochauflösend sein, da die Verformung bei unter 100 µm stattfindet. Bestens geeignet ist dafür das kapazitive Messprinzip, das alle geforderten Bedingungen erfüllt. Das Wirbelstromprinzip käme hier nicht in Frage, da die hohen gradientenbedingten Leitfähigkeits- und Permeabilitätsschwankungen nicht voll kompensieren kann.

Das Prinzip der Lasertriangulation

Größter Vorteil und
zugleich auch für den größten Nachteil dieses Prinzips verantwortlich ist der mögliche Grundabstand. Für heiße oder sich stark bewegende Messobjekte ist es ein unschätzbarer Vorteil aus größerer Entfernung messen zu können. Dabei gilt es aber zu beachten, dass der reflektierte Laserstrahl nicht abgeschattet wird und in der Empfangszeile deswegen nicht auftreffen kann. Deshalb ist dieses Verfahren für Bohrungen und Kavitäten nur eingeschränkt nutzbar. Häufig von Bedeutung ist der sehr kleine Messfleckdurchmesser der Serie optoNCDT, der mit Lasersensoren realisiert werden kann. Dieser liegt im Bereich von wenigen Mikrometern und kann deshalb auch auf Objekte in dieser Größenordnung angewendet werden.

In Sägewerken befindet sich nach dem Zersägen des Baumstammes noch die sogenannte Waldkante an den Flanken des Bretts. Um diese Waldkante mit möglichst wenig Verlust automatisiert entfernen zu können, ist es notwendig an mehreren Stellen das Profil des Bretts zu erfassen. Verwendet werden dafür Lasertriangulationssensoren wegen des großen Grundabstands. Wirbelstrom eignet sich aufgrund des nichtleitenden Messobjekts Holz nicht. Kapazitive und konfokale Sensoren könnten zwar Holz erfassen, haben aber eine zu geringen Grundabstand, wodurch die Gefahr der Beschädigung eines Sensors zu groß wäre. Die Lasersensoren sind direkt in die Besäumanlage von Sägewerken integriert und erlauben dadurch eine automatische Justierung der Schnittbreite.

Das konfokal-chromatische Messprinzip

Dieses Prinzip erlaubt eine Messung auf nahezu allen Oberflächen. Bei transparenten Materialien kann sogar eine Dickenmessung mit nur einem Sensor erfolgen, indem auch das Spektrum der zweiten Oberfläche interpretiert wird. Weil die verschiedenen Wellenlängen des Lichts als Medium verwendet werden, bietet dieses Verfahren eine extrem hohe Auflösung im Nanometerbereich. Laserschutzmaßnahmen muss dabei keine Beachtung
geschenkt werden.

Auch hier gilt eine saubere Umwelt zumindest im Strahlengang als obligatorisch. Einschränkend gilt für dieses Verfahren die begrenzte Distanz zwischen Sensor und Messobjekt. Konfokale Sensoren finden z. B. Einsatz bei einem von Micro-Epsilon selbst entwickelten Prüfstand. Es gilt Glasplatten für Solaranlagen und Displayabdeckungen auf Beschädigungen direkt nach der Produktion zu prüfen.

Die richtige Auswahl treffen

Da für die Vielzahl der verschiedenen Anwendungen auch unzählig verschiedene Randbedingungen gelten, gibt es keinen Sensor, der für alle Anwendungen geeignet ist. Alle Verfahren bieten verschiedene Vorteile und Einschränkungen. Zur Auswahl des richtigen Sensors für eine spezielle Messaufgabe muss sich der Anwender einige Fragen stellen: Welche Genauigkeit wird benötigt? Aus welchem Material besteht das Messobjekt? Wie ist die Oberfläche ausgebildet?
Ist das Messobjekt leitfähig? Bei welcher Umgebungstemperatur wird der Sensor verwendet? Was genau soll gemessen werden? Weg, Winkel, Krümmung usw. oder Welcher Messbereich wird benötigt?

Um die von der Messaufgabe abhängige Entscheidung zugunsten eines Prinzips zu vereinfachen, sollen nun die verschiedenen Messverfahren miteinander verglichen werden. Dazu dienen die abgebildeten Tabellen, die zeigen, in welchen Kriterien ein Messverfahren besondere Vorteile aufweist bzw. welche Kriterien im Vergleich zu anderen als problematisch zu bewerten sind.

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Lasersensoren, Abstandssensoren, Displays

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