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ALLSENS Messprinzipien

Allgemeines über Lasersensoren

Was ist ein Lasersensor ?

Der Begriff Lasersensor sagt aus, dass es sich um einen optischen Sensor mit Laser handelt, der mit einer festen Wellenlänge - der charkteristischen Laserstrahlung - arbeitet. Heutzutage werden für die Erzeugung des Laserstrahls meistens Diodenlaser eingesetzt.

Auf welchem physikalischen Prinzip die Funktionalität des Sensors beruht und ob es sich um eine richtige Messfunktion handelt, ist dabei ungewiss. Desweiteren ist im Sprachgebrauch auch nicht festgelegt, ob es sich um einen nur zwischen zwei Zuständen unterscheidenden Schalter oder ob es sich um ein präzises Mess- und Prüfgerät mit weitaus umfassenderer Spezifikation handelt.

Erst bei Prüf- oder Messgeräten werden Begriffe wie Genauigkeit, Linearität, Messrate etc. zu wesentlichen definierten Eigenschaften.

Laser-Wegsensoren

Prüfgeräte basierend auf Laserdioden gibt es für viele Einsatzfälle. Die Weg, Abstand oder Profilmessung ist nur ein Teilbereich der möglichen Anwendungen bei der Erfassung geometrischer Größen.

Lasersensoren für die Messung von Weg/Abstand/Distanz senden Licht auf ein Objekt oder einen Reflektor und werten den (diffus) reflektierten Laser-Lichtstrahl mit einem Detektor und nachgeschaltetem Prozessor aus. Danach wandeln sie die ermittelte Entfernung - das Digital-Signal - in ein proportionales, analog-elektrisches Signal (oft: 0-10VDC oder 4...20mA) um.

Verschiedene Messprinzipien

Für die Messung und Erfassung geometrischer Größen sind eine Reihe von Messprinzipien geeignet.
Sensoren zur Messung von Abstand oder Distanz werden häufig auch als Wegsensoren bezeichnet.

Lasersensoren mit Laser-Triangulation werden für einen Weg-Messbereich von ca. 1mm bis maximal 2m benutzt. Dies beinhaltet allerdings größere Abstände, da der Grundabstand (Totbereich) hinzu gerechnet werden muss. Als Paar eingesetzt eignen sie sich wegen ihrer hohen Präzision und Dynamik auch für Dicken-Messungen im Online-Betrieb.

Für größere Distanzen benutzt man Laser-Laufzeit-Methoden mit Phasenmodulation und Doppler-Effekt.

Weitere geometrische Größen wie Dicke, Durchmesser, Spalt oder andere können häufig auch mit einem Laser-Mikrometer, das mit Lichtschatten-Detektion arbeitet, ermittelt werden.

Für Oberflächen-Profile oder komplexere Geometrien werden Laser-Linienscanner eingesetzt. Sie arbeiten mit speziellen Laser-Triangulationsprinzipien z.B. Laser-Lichtschnitt.

Unterschiedliche Arbeitsfrequenzen - Sichtbarkeit

Ein Laser sendet elektromagnetische Wellen nur einer Wellenlänge aus. Diese Laserstrahlung kann im sichtbaren Wellenlängen-Bereich von ca. 400nm - 780nm liegen oder darüber im Infrarotbereich. Dieser ist für das menschliche Auge nicht mehr sichtbar. IR-Strahlung kann nur mit technischen Hilfsmitteln sichtbar gemacht werden.



Bei im IR-Bereich arbeitenden Lasersensoren ist häufig zusätzlich ein sichtbarer Laser-Pilotstrahler als Montagehilfe für den Anwender installiert.

Technische Unterschiede --- Sensortypen mit CMOS, CCD oder PSD-Detektor

Bei einem Laser-Triangulationssensor wird die Intensitätsverteilung des reflektierten Laserstrahls auf einem Zeilen-Detektor im Sensor analysiert. Dieser Zeilendetektor wird häufig auch als Kamera bezeichnet. Es kann sich hier um ein PSD-(analoges Sensorelement) oder CCD- bzw. CMOS-Bauteil(digitales Sensorelement) handeln.

Der Unterschied in der Anwendung wird deutlich, wenn man die unterschiedliche Arbeitsweise dieser Bauelemente betrachtet.

Grundsätzlich ist ein PSD ist ein Optischer Positionssensor, der die ein- oder zweidimensionale Position eines Lichtpunktes mit Hilfe des Photoelektrischen Effektes messen kann.

PSD-Detektoren arbeiten nach verschiedenen Prinzipien. Man kann diese in zwei Klassen einteilen. Zum einen die analogen Sensoren(meistens als PSD bezeichnet), die eine isotrope Sensoroberfläche haben und eine kontinuierliche Positionsinformation liefern, zum andern diskrete Sensoren(CCD oder CMOS), deren Oberfläche rasterartig strukturiert ist und die daher eine diskrete Ortsinformation liefern.

Bei den konventionellen analogen PSD-Sensoren wird ein flächiger Halbleiter, eine sogenannte pin-Diode, punktförmig belichtet. Durch die Belichtung verändert sich der lokale Widerstand und dadurch die Ströme, die über die vier an den Rändern liegenden Elektroden fließen. Aus den mittleren Strömen der Elektroden kann der Ort der Belichtung berechnet werden. Die Analyse und Messwert-Berechnung basiert hier also nur auf dem Mittelwert. Vorteil des Verfahrens ist die kontinuierliche Messung der Mittelwert-Position mit Messraten bis weit über hundert Kilohertz zu einem sehr günstigen Preis. Nachteilig ist die Abhängigkeit der Ortsmessung von Form und Größe des Lichtpunktes sowie der nichtlineare Zusammenhang von Strömen und Ort. Dies beinhaltet besonders bei nicht-idealen oder dynamisch veränderlichen Messbedingungen hohe Nachteile.

Ein Charge-coupled Device (CCD) ist ein integriertes elektronisches Bauteil mit gerasterter Detektorstruktur, das wie ein analoges Schieberegister arbeitet. CCDs sind ebenfalls lichtempfindliche Bauteile, die ein zur eingestrahlten Lichtmenge proportionales Signal ausgeben. Bei CCDs werden - abweichend zu den CMOS-Sensoren - die bei der Belichtung angesammelten Elektronen noch zu einem einzigen Ausleseverstärker verschoben.

Auch der CMOS-Sensor(oft auch APS: Active Pixel Sensor) basiert auf dem fotoelektrischen Effekt. Er ist ein Halbleiter-Detektor zur Lichtmessung, der in CMOS-Technologie gefertigt ist. Deshalb wird er auch in der Messtechnik meistens als CMOS-Sensor bezeichnet. Durch die Verwendung der CMOS-Technologie wird es möglich, weitere Funktionen zur Selbst-Optimierung in den Sensorchip zu integrieren. Dies sind beispielsweise die Belichtungskontrolle und die Empfindlichkeitskontrolle. Auch die Analog-Digital-Wandlung ist hier möglich. Deshalb werden diese Sensorelemente häufig auch als digitale Sensoren bezeichnet.

Beim CMOS-Sensor ist in jedem einzelnen Bildelement ein Verstärker integriert, der die Ladung, die auf der Fotodiode des Pixels gesammelt wird, sofort in eine Spannung umwandelt. Das analoge Photo-Signal wird dem Prozessor direkt zur Verfügung stellt. Fehlereinflüsse beim Transport sind also eliminiert. Das bedeutet, dass jedes Bildelement zusätzlich zur Fotodiode eine Vielzahl von Transistoren enthält, die die gesammelte Ladung in eine messbare Spannung umwandeln. Der Vorteil ist, dass die Elektronik direkt das Spannungssignal jedes einzelnen Pixels auslesen kann, ohne die Ladungen verschieben zu müssen. Durch intensive Weiterentwicklung in der Miniaturisierung der CMOS-Technologie und durch den Einsatz von Mikrolinsen über jedem Bildelement-Pixel wurde die früher bis in die 90-er Jahre vorhandene niedrigere Lichtempfindlichkeit verglichen mit CCD-Sensoren reduziert und schließlich mehr als ausgeglichen. Heutzutage handelt es sich bei den CMOS-Sensoren um die effizientesten Sensorelemente zur optischen Ortsmessung. Erst mit dieser Technologie ist eine umfangreiche Analyse des elementaren Sensorsignals unter Berücksichtigung der individuellen Signalform möglich. Die Selbstoptimierung wird direkt im CMOS-Sensorelement realisiert.

Praxis der PSD- und CMOS-Messung

Bei einem nicht-idealen Messobjekt ist die Intensitätsverteilung im Detektor nicht entsprechend einer idealen Gauß-Verteilung. Durch Mehrfach-Reflexionen können mehrere nebeneinander oder überlappend liegende Intensitätsmaxima auftreten. Durch Eindringen des Laserstrahls in eine semi-transparente Objektoberfläche verbreitert sich die Verteilung auch stark. Das darüber hinaus auftretende stärkere Rauschen wird in der folgenden Darstellung vernachlässigt.




In der schematischen Darstellung wird die Abweichung des Messergebnisses durch Spitzenwert-Analyse oder Mittelwertbildung sichtbar. Es entsteht ein systematischer Messfehler.

Ein weiterer Nachteil der relativ preisgünstigen PSD-Sensoren ist ihr mangelndes Vermögen zur Anpassung an veränderliche Einflüsse. Dies zeigt sich besonders stark bei kurzen Messzeiten und hohen Messraten bzw. hohen analogen Bandbreiten. Für solche Messaufgaben ist eine effiziente Selbstoptimierung des Sensorelementes für eine zuverlässige Messung unbedingt erforderlich.

Was versteht man unter der Selbstoptimierung eines modernen digitalen Lasersensors ?

(Folgt demnächst ....)

Weitere technische Unterschiede bei Laser-Wegsensoren

- Messbereich und Grundabstand

- Genauigkeit / Linearität

- Messrate / Messfrequenz

- Signal-Ausgänge (analog 0-10V ... 4-20mA; digital ...)

- Optische Möglichkeiten - abhängig von den verwendeten Bauteilen (Laser-Detektor PSD/CCD/CMOS, optische Filter ...etc.)

- Signalverarbeitung durch sensorinterne Software (Firmware)

- Kommunikationsmöglichkeiten (Schnittstellen, Protokolle, Befehle, Trigger-Möglichkeiten ... etc.)

- Arten der Bedienung

- Äußere Abmessungen und Einbaumaße

- Schutzklassen für Staub/Feuchtigkeit




--> Daraus resultieren die unterschiedlichen messtechnischen Eigenschaften in der individuellen Anwendung


-->    --> Deshalb ist die kompetente Beratung durch Spezialisten wichtig.
Oft ist die Entscheidung für die Eignung der Messsysteme nur auf Grundlage von Tests beim Hersteller oder Anwender mit realen Messobjekten möglich.

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