Laser-Triangulation für unterschiedliche Messaufgaben
Messbereich, Oberfläche, Messgeschwindigkeit und Einbausituation bestimmen die Auswahl eines Laser-Triangulationssensors. Wie Optik, Belichtungsregelung und Signalverarbeitung auch bei hohen Messraten und wechselnden Reflexionseigenschaften stabile Messergebnisse ermöglichen, erklärt Dominik Schopf, Produktmanager für Laser-Triangulationssensoren bei Micro-Epsilon.
inspect: Herr Schopf, die Laser-Triangulation ist ein etabliertes Messprinzip. Wo liegen heute die physikalischen Grenzen, und an welchen Stellschrauben kann man noch drehen?
Dominik Schopf: Die physikalischen Grenzen der Laser-Triangulation ergeben sich vor allem aus der optischen Geometrie des Messprinzips und aus der verfügbaren Signalqualität. Messbereich, Triangulationswinkel und Lichtfleckgröße lassen sich nicht beliebig unabhängig voneinander optimieren. Gleichzeitig steht bei sehr hohen Messraten nur eine sehr kurze Zeit zur Verfügung, um genügend Licht für einen stabilen Messwert zu erfassen. Schwach reflektierende oder stark wechselnde Oberflächen können das nutzbare Empfangssignal zusätzlich begrenzen.
Entsprechend liegen wichtige Stellschrauben in der Optik, der Belichtungsregelung, der Empfangselektronik und vor allem in der Signalverarbeitung. Entscheidend ist letztlich das Zusammenspiel aller Komponenten, um möglichst viel Information aus dem verfügbaren optischen Signal herauszuholen.
Worin unterscheiden sich einfache Laser-Wegsensoren und moderne High-Performance-Sensoren technisch – etwa bei Optik, Sensorzeile und Signalauswertung?
Der größte Unterschied liegt heute weniger darin, ob ein Messwert erfasst wird, als vielmehr darin, wie zuverlässig, schnell und reproduzierbar dieser Messwert unter realen Prozessbedingungen zur Verfügung steht. Ein einfacher Laser-Wegsensor kann unter konstanten und günstigen Bedingungen sehr präzise messen. Ein High-Performance-Sensor stellt diese Präzision auch bei hohen Geschwindigkeiten, wechselnden Oberflächen, starkem Fremdlicht und anspruchsvollen Integrationsbedingungen sicher.
Der Unterschied liegt deshalb vor allem in der Leistungsfähigkeit der einzelnen Komponenten: Eine hochwertigere Optik sorgt für eine stabile Abbildung des Lichtflecks auf dem Empfangselement. Die Sensorzeile beziehungsweise Empfangselektronik muss auch bei kurzen Belichtungszeiten ausreichend Signalqualität liefern und schnell ausgelesen werden können. Gleichzeitig ist die Signalverarbeitung deutlich aufwendiger. High-Performance-Sensoren reagieren beispielsweise auf wechselnde Reflexionseigenschaften und passen die Belichtung entsprechend an, um für stabile Messwerte zu sorgen.
Die Opto-NCDT-Serie deckt verschiedene Messbereiche und Sensorklassen ab. Nach welchen technischen Kriterien wählt der Anwender den passenden Sensor für seine Messaufgabe aus?
Welche Baureihe am besten geeignet ist, hängt letztlich von der konkreten Messaufgabe ab. Zentrale Kriterien sind der benötigte Messbereich, die Beschaffenheit der Oberfläche, die erforderliche Messrate und die geforderte Genauigkeit. Hinzu kommen die Einbausituation und die Frage, wie der Sensor in die Maschine oder Steuerung integriert werden soll.
Gemeinsam mit dem Anwender analysieren wir seine Anforderungen und wählen darauf basierend die technisch und wirtschaftlich sinnvollste Lösung aus. Unser Anspruch ist dabei nicht, grundsätzlich den leistungsstärksten Sensor einzusetzen, sondern genau den Sensor, der für die jeweilige Anwendung am besten geeignet ist.
Die Baureihen Opto-NCDT 1220, 1320 und 1420 sind vor allem für kosten- und bauraumkritische Serienanwendungen ausgelegt. Der Opto-NCDT 1900 richtet sich an anspruchsvollere Automatisierungsaufgaben, bei denen eine höhere Präzision und Dynamik gefragt sind. Für High-End-Anwendungen mit höchsten Anforderungen an Dynamik und Genauigkeit steht der Opto-NCDT 5500 zur Verfügung.
Der letztgenannte Sensor, der Opto-NCDT 5500, misst nun schneller und genauer über den vollen Messbereich. Welche konstruktiven und optischen Änderungen stecken technisch hinter dieser Steigerung?
Die Leistungssteigerung wurde vorwiegend durch verbesserte Algorithmen und weitere Optimierungen erreicht. Konstruktiv und optisch wurde am Sensor nichts verändert.
Zu den spannendsten Leistungsmerkmalen zählen die Messrate von 150 kHz über den gesamten Messbereich einschließlich des erweiterten Messbereichs, eine hohe Linearität und Reproduzierbarkeit sowie die Fremdlichtbeständigkeit von bis zu 200.000 Lux. Gleichzeitig konnten wir die Temperaturstabilität deutlich auf ± 0,005 % d. M./K verbessern.
Die Oberfläche des Messobjekts beeinflusst das Ergebnis stark. Welche Eigenschaften – etwa Reflexionsgrad, Glanz oder Transparenz – bereiten in der Praxis die größten Schwierigkeiten?
Besonders anspruchsvoll sind Oberflächen, bei denen sich das reflektierte Lasersignal stark verändert. Das gilt beispielsweise für den Wechsel von sehr dunklen auf stark glänzende Materialien. Ohne entsprechende Kompensation können hier Signalrauschen, Messwertsprünge oder Signalausfälle auftreten.
Micro-Epsilon begegnet diesen Herausforderungen bei den optoNCDT-Sensoren mit einer intelligenten Belichtungsregelung: Die „Active bzw. Advanced Surface Compensation“ (ASC) passt die Belichtungszeit und Signalverarbeitung automatisch an wechselnde Reflexionseigenschaften an und sorgt dadurch für stabile Messwerte. Je nach Baureihe unterstützen zusätzliche Funktionen zur Peak-Auswahl, Filterung und Maskierung eine zuverlässige Messung auf anspruchsvollen Oberflächen.
(Semi-)transparente Materialien stellen nochmals eine besondere Messsituation dar, weil Licht nicht nur an der Oberfläche reflektiert wird, sondern teilweise in das Material eindringen kann. Für solche anspruchsvollen Messaufgaben bieten wir neben angepassten Presets eine Blue-Laser-Technologie. Dabei kommt ein blau-violetter Laserstrahl mit kürzerer Wellenlänge zum Einsatz, der deutlich weniger in das Messobjekt eindringt. Dadurch wird der Lichtfleck schärfer auf der Oberfläche abgebildet, was stabile und präzise Messergebnisse ermöglicht.
Kompakte Bauformen sind für OEM- und Serienanwendungen gefragt. Welche technischen Kompromisse zwischen Baugröße, Messleistung und Robustheit sind dabei zu beherrschen?
Die Herausforderung besteht darin, innerhalb eines kleinen Bauraums die für die Anwendung erforderliche Messperformance und gleichzeitig eine industrietaugliche Integration zu realisieren. Gerade bei der Laser-Triangulation beeinflusst die Bauform des Sensors unter anderem die optische Geometrie und damit Messbereich, Lichtfleckgröße und Auflösung. Gleichzeitig müssen Temperaturstabilität, Schock- und Vibrationsfestigkeit sowie eine zuverlässige Signalverarbeitung gewährleistet bleiben.
Deshalb richten wir die Sensorleistung gezielt an der jeweiligen Anwendung aus. Für viele OEM- und Serienanwendungen ist nicht die maximale Dynamik eines High-End-Sensors entscheidend, sondern die optimale Balance aus Präzision, Baugröße, Robustheit und Wirtschaftlichkeit.
Selbst bei unseren kompakten Sensoren der Baureihe Opto-NCDT 1x20 ist die Elektronik direkt in das Gehäuse integriert. Dadurch sind keine zusätzlichen Auswerteeinheiten erforderlich, der Verkabelungsaufwand sinkt und die Sensoren lassen sich mit vergleichsweise geringem Platzbedarf in Maschinen integrieren. Aufgrund ihres Preis-Leistungs-Verhältnisses sind diese Baureihen insbesondere für Serienanwendungen mit großen Stückzahlen ausgelegt.
In welchen Anwendungen ist eine besonders hohe Messrate entscheidend?
Eine besonders hohe Messrate ist überall dort entscheidend, wo sich das Messobjekt sehr schnell bewegt, rotiert oder schwingt und dennoch kleinste Wegänderungen lückenlos erfasst werden müssen. Typische Anwendungen des Opto-NCDT 5500 mit seiner Messrate von bis zu 150 kHz sind daher hochdynamische Schwingungs-, Rundlauf- und Unwuchtmessungen, die Positionskontrolle schneller Maschinenbewegungen sowie die zweiseitige Inline-Dickenmessung schnell laufender Bahnen.
Wohin entwickelt sich die Laser-Triangulation in den nächsten Jahren – in Richtung höherer Geschwindigkeit, intelligenterer Signalverarbeitung oder stärkerer Vernetzung? Alles davon?
Grundsätzlich in alle drei Richtungen, allerdings mit unterschiedlicher Gewichtung. Die Entwicklung der 1D-Lasertriangulationssensorik wird in den nächsten Jahren vor allem durch intelligentere Signalverarbeitung geprägt sein. Adaptive Auswertealgorithmen sollen auch bei wechselnden, glänzenden oder schwach reflektierenden Oberflächen stabile und belastbare Messwerte liefern. Gleichzeitig wird eine stärkere Vernetzung über industrielle Schnittstellen zum Standard, insbesondere für Diagnose, Synchronisation und direkte Integration in Steuerungssysteme. Höhere Messgeschwindigkeiten bleiben wichtig, werden jedoch vor allem in dynamischen High-End-Anwendungen den entscheidenden Mehrwert bieten.
