Bildverarbeitung

Laserdistanzsensor misst auf 500 m schnell und genau

Die Vorteile von Lichtlaufzeit- und Phasenverschiebungsverfahren kombiniert

14.12.2021 - Laserdistanzsensoren messen klassischerweise entweder die Lichtlaufzeit oder die Phasenverschiebung. Beide Verfahren haben jedoch Vor- und Nachteile: Die Lichtlaufzeitmessung ist schnell, durch die anspruchsvolle Zeitmessung aber oft nicht ausreichend genau. Die Messung der ­Phasen­verschiebung ist deutlich genauer, aber durch die aufwendigere Auswertung nicht so schnell wie die reine Laufzeitmessung. Wenn Anwendungen es ­erfordern, dass große Distanzen mit hoher Genauigkeit und möglichst schnell gemessen werden sollen, sind deshalb beide Verfahren nicht ideal. Stattdessen bietet es sich an ihre Vorteile zu kom­binieren. Das Resultat sind Long-­Distance-Sensoren, die Entfernungen von 0,05 bis 500 m schnell und auf den ­Millimeter genau messen.

Anwendungen, bei denen für Postionier-, Vermessungs- oder Überwachungsaufgaben große Distanzen mit hoher Genauigkeit und möglichst schnell gemessen werden sollen, gibt es viele. Typische Applikationen reichen von Regalbediengeräten und ASRS-Shuttles (Automatic Storage and Retrieval Systems) in Distributionszentren über Füllstandkontrollen in großen Tanks beziehungsweise Silos bis hin zum Maschinenbau, zum Beispiel in Anlagen zur Bearbeitung von Metallrohren oder beim maschinellen Ablängen von Balken oder Brettern. Auch Portal- oder Hafenkräne sind auf weite Distanzmessungen mit hoher Genauigkeit angewiesen und auch Tunnelbohrmaschinen verlangen nach solch schnellen Präzisionslösungen zur Entfernungsmessung. Herkömmliche Verfahren zur Laserdistanzmessung, die Lichtlaufzeit oder Phasenverschiebung auswerten, stoßen hier an ihre Grenzen.

Die Grenzen konventioneller Messverfahren

Bei der Laufzeitmessung wird ein kurzer Lichtpuls ausgesandt. Aus der Pulslaufzeit, also der Zeit, die der Lichtpuls braucht, um von der Quelle zu einem Reflektor und wieder zurückzugelangen, lässt sich die Entfernung berechnen. Diese Methode ist schnell, durch die anspruchsvolle Zeitmessung aber oft nicht ausreichend genau. Schließlich beträgt die Laufzeit von einem solchen Lichtpuls für einen Millimeter gerade mal 3,3 psec (3,3 * 10-12 Sekunden). Bei Distanzen von mehreren Hundert Metern liegt die Auflösung deshalb üblicherweise nur im Zentimeterbereich.

Alternativ wird deshalb auch die Phasenverschiebung des reflektierten Laserstrahls gegenüber dem ausgesandten Strahl ausgewertet. Sie ist entfernungsabhängig. Also lässt sich die zurückgelegte Distanz ermitteln. Diese Messung ist deutlich genauer, aber durch die aufwendigere Auswertung nicht so schnell wie die reine Laufzeitmessung.

Schnell und genau

Die Schweizer Sensorikspezialisten von Dimetix gehen deshalb einen anderen Weg. Bei ihren Long-Distance-Lasersensoren kombinieren sie im Prinzip die Vorteile beider Messmethoden, indem sie sowohl Laufzeit als auch Phasenversatz auswerten. Um eine hohe Messgeschwindigkeit zu erreichen, arbeitet das Verfahren mit einer Hochfrequenzmodulation der Laseramplitude und wertet die Phasenlage und den Abstand dieser aufmodulierten Hochfrequenzsignale (Bursts) aus. Dabei wird der Laserstrahl in kurzen Abständen amplitudenmoduliert. Dadurch lässt sich die entfernungsabhängige Laufzeitverschiebung der einzelnen Pulspakete sehr schnell messen, aber auch die Phasenverschiebung der einzelnen Wellen zueinander innerhalb der modulierten Pakete. Die Sensoren messen deshalb schneller als üblich und liefern auch bei großen Entfernungen genaue Werte. Die Messgeschwindigkeit reicht bis 250 Hz bei einer Ausgaberate von 1 kHz.

Das Innenleben eines Sensors besteht aus vielen Komponenten: optischer Sender mit Laserdiode und ultraschnellem Treiber, Empfänger mit Linse, Filter und Analog/Digital-Wandler, digitaler Signalverarbeitung, Speicher, Eingabe- und Anzeigeelementen und viele digitale sowie analoge Schnittstellen. Das alles ist in einem kompakten, für den industriellen Einsatz ausgelegten Gehäuse untergebracht. Eine Sensorvariante ist zusätzlich mit einer integrierten Heizungsfunktion verfügbar, sodass die Lasersensoren auch im kalten Outdoor-Bereich ohne externe Heizung arbeiten können.

Hohe Wiederholgenauigkeit

Die Laserdistanzsensoren der D-Serie eignen sich für Distanzen von 0,05 bis 500 m und messen mit einer Genauigkeit von +/-1 mm bei einer Wiederholgenauigkeit von +/-0,3 mm. Sie arbeiten üblicherweise gegen eine orange Reflexfolie. Bei Distanzen bis 100 m gelten die Genauigkeitswerte aber auch für natürliche Oberflächen und auch bei schwarzen Zielflächen oder direkter Sonneneinstrahlung im Außeneinsatz können die Geräte zuverlässige Messergebnisse liefern.

Ihre Messgenauigkeit wird mit einer statistischen Sicherheit von 95,4 Prozent spezifiziert (entsprechend ISO 1938-2015). Das ist gleichbedeutend mit +/-2 σ, also viermal die Standardabweichung. Distanzfehler durch Temperatureinflüsse und Linearitätsfehler sind hierbei bereits berücksichtigt. Diese Messgenauigkeit wird laufend in umfangreichen Tests verifiziert.

Gut in die Anwendung integrierbar

Durch die Abmessungen von 140 x 78 x 48 mm Höhe lassen sich die 350 g schweren Distanzsensoren gut in die Anwendungen integrieren, zum Beispiel am Mast eines Regalbediengeräts. Hier messen sie millimetergenau die Positionen, an denen die Regalfächer bedient werden. Ein ähnlicher Anwendungsfall findet sich auch bei ASRS-Shuttle-Systemen, die in vielen Distributionszentren zur Auftragsabwicklung und Lagerung eingesetzt sind. Mit den Sensoren lässt sich der Shuttle millimetergenau an der Stelle platzieren, an der Produkte ein- oder ausgeladen werden müssen. Das robuste Gehäuse erfüllt die Anforderungen nach IP65, bietet damit auch in rauer Industrieumgebung und beim Außeneinsatz Schutz, beispielsweise beim Einsatz an Tunnelbohr- oder Baumaschinen und auch bei hohen Temperaturen wie in der Stahlindustrie, wo der Sensor gegen heiße Oberflächen misst.

Die Laserdistanzsensoren sind zudem in acht unterschiedlichen Varianten erhältlich, die bei sonst gleichen Eigenschaften unterschiedliche Anforderungen an Reichweite und Auflösung abdecken, sodass niemand für technischen Overhead bezahlen muss, wenn beispielsweise +/-3 mm Genauigkeit ausreichen. Bei Innenanwendungen genügt zudem meist ein Temperaturbereich von -10°C bis +50°C. Standardmäßig integriert sind ein Analogausgang 0/4...20 mA, serielle Schnittstel­len sowie digitale Ein- und Ausgänge. Als Option stehen Profinet, Ethernet/IP und Ethercat zur Verfügung. Dazu wird das Schnittstellenmodul des Sensors einfach ausgetauscht.

Autoren
Dirk Fokkens, Vertriebsleiter bei Dimetix
Ellen-Christine Reiff, Redaktionsbüro Stutensee

Contact

Dimetix AG

Degersheimerstraße 14
9100 Herisau
Switzerland

+41 71 353 00 00
+41 71 353 00 01


The call for entries for the inspect award 2022 has started. Submit your product now.

Subscribe to our Newsletter!

Newsletter

We keep you posted - Subscribe to the International newsletter here!


The call for entries for the inspect award 2022 has started. Submit your product now.

Subscribe to our Newsletter!

Newsletter

We keep you posted - Subscribe to the International newsletter here!