25. JUNI 2016

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Messen mit dem Laserstrahl


»Lasertechnik« Welches Meßverfahren paßt zu welchen Anwendungen? Ein Überblick.

In der industriellen Lasermeßtechnik kommen vorzugsweise Halbleiterlaser, sogenannte Diodenlaser, zum Einsatz. Das liegt daran, daß für viele Meßaufgaben geringe Sendeleistungen ausreichen (müssen - wegen der Augensicherheit!), die Laser kostengünstig sind und mit Lebensdauern von mehreren 10.000 Betriebsstunden mittlerweile eine hohe Zuverlässigkeit bieten. Ferner haben diese Laser als optoelektronische Komponenten die Eigenschaft, daß sie inhärent leicht elektronisch gesteuert werden können (Leistungsregelung, Amplitudenmodulation, Steuerung der Pulsfolgefrequenz). Ein weiterer Merkmalsparameter ist die Wellenlänge l. Das Diodenlaserspektrum reicht vom Blauen (um die 400 nm, bei noch geringen Ausgangsleistungen, zum Beispiel für die Fluoreszenzanregung), über den Standardwellenlängenbereich im Sichtbaren und Nahinfraroten von circa 600 bis 900 beziehungsweise um die 1.500 nm bis hin zu Ferninfrarotfrequenzen im 10 mm Bereich für spektroskopische Anwendungen.
Einige der Hauptanwendungen im industriellen Bereich sind die Messung von Konturen und Oberflächen im Sinn der Fertigungsüberwachung und Qualitätskontrolle sowie die Messung von Abständen und Geschwindigkeit zur Steuerung und Kontrolle von Prozessen, Abläufen und Bewegungen und nicht zuletzt zur Überwachung von Sicherheitszonen (zum Beispiel Laservorhang durch den Einsatz von Mehrstrahl-Lichtschranken oder Laserscanner).
Bei allen diesen Anwendungen steht neben der meßtechnischen Leistungsfähigkeit immer auch die Augensicherheit im Vordergrund. So sind für die breite Nutzung der Lasermeßgeräte unbedingt die Sicherheitsklassen 1 für nicht sichtbare und die Sicherheitsklasse 2 für sichtbare Laser zu realisieren, das heißt je nach Laserwellenlängen (im Sichtbaren oder Nahinfraroten) sind bestimmte maximale Sendeleistungen, Pulsraten und eine Reihe weiterer Parameter, die in den Normen und Richtlinien IEC 825-1 / DIN EN 60825 und FDA21 CFR beschrieben sind, einzuhalten. Durch die letztendlich begrenzte Sendeleistung führt dies zu sehr großen Anforderungen an einen empfindlichen Nachweis der von den Meßobjekten zurückgestreuten Laserleistung. Hier kommt deshalb in vielen Fällen eine Avanlanche- Photodiode (APD) zum Einsatz, da sie ein optimaler Kompromiß zwischen sehr guter Nachweisempfindlichkeit, hoher Meßfrequenz, robuster Handhabung und Kosten darstellt. Zusätzlich ist es in vielen industriellen Anwendungen auch möglich, sogenannte kooperative Targets einzusetzen, das heißt Zieltafeln deren Rückstreukoeffizienten sehr hoch sind.
Die Möglichkeiten reichen von einer einfachen weißen Fläche über spezielle Reflektorfolien (zum Beispiel von 3M) bis hinzu den allseits bekannten Katzenaugen.

Im gesunden Wettbewerb
Natürlich stehen die Lasersensoren im Wettbewerb zu zum Beispiel Ultraschallsensoren im Nahbereich oder Radarsensoren im mittleren und Fernbereich. Allerdings kommen immer dann Lasersensoren zum Einsatz, wenn präzise Messungen über variable und auch größere Entfernungsbereiche unter kontrollierbaren Umgebungsbedingungen erforderlich sind. Zusätzlich hat man bei Verwendung von sichtbarer Laserstrahlung - in einer Entfernung von zum Beispiel 50 m hat der Laserstrahl einen Durchmesser im Zentimeterbereich - den inhärenten Vorteil, daß man den Lasersensor leicht auf das zu messende Objekt visuell ausrichten kann.

Verfahren der Laserabstands- und Geschwindigkeitsmessung
Das Verfahren der Wahl hängt wie so oft von der konkreten Anwendung und dem Einsatzgebiet ab. Grundsätzlich kann man die Anwendungen grob in vier Entfernungskategorien einteilen, wobei sich die Geschwindigkeit v aus zeitlich aufeinanderfolgenden (t1 und t2) Abstandsmessungen D1 und D2 zu v = (D1 - D2)/(t1 - t2) berechnen läßt.
Entfernungsmessungen mittels Interferenzanordnungen werden im folgenden nicht weiter betrachtet. Es sei jedoch bemerkt, daß Interferenzmeßtechniken häufig in der Koordinatenmeßtechnik und in der Qualitätssicherung eingesetzt werden und grundsätzlich das genaueste Verfahren sind, mit der höchsten relativen Auflösung von bis 10-8. Eine weitere interessante Anwendung ist die berührungslose Geschwindigkeitsmessung (und daraus abgeleitet die Beschleunigungs- und Längenmessung) von bewegten bahn-, band- und strangförmigen Materialien mit sogenannten Laserdopplerinterferometern. Diese ermöglichen bei hohen Produktionsgeschwindigkeiten von über 1.000 m/s und Beschleunigungen bis zu 20 m/s2 Meßgenauigkeiten von < 0,1 %.

Das Triangulationsverfahren
Dieses Verfahren basiert auf der Messung der Winkeländerung des vom Meßobjekt reflektierten Laserstrahls (α, α´) mit Hilfe eines CCD-Zeilendetektors in Abhängigkeit vom Objektabstand.
Durch die geometrische Anordnung und die begrenzte Anzahl von CCD-Pixel sind beim operativen Einsatz des Verfahrens minimale und maximale Meßabstände zu berücksichtigen.
Die typische Winkelauflösung liegt im Bereich 1 : 5.000 und kann mit Hilfe von Subpixel-Algorithmen noch gesteigert werden. In einer ähnlichen Größenordnung liegt auch die Auflösung des Meßabstandes, wobei durch den nichtlinearen Zusammenhang zwischen Abstand und Winkel die Auflösung bei größeren Abständen schlechter wird.
Im Nahbereich ist es deshalb durchaus möglich Meßgenauigkeiten im Mikrometerbereich zu erzielen. Ein Einsatzgebiet ist folglich auch die Blechdickenmessung mit zwei Sensoren, einem an der Oberseite und einem an der Unterseite des Bleches. Für kurze Abstände D ist dieses Verfahren anderen Laserverfahren wie etwa dem Pulslaufzeitverfahren vorzuziehen, steht aber bei weniger hochauflösenden Anwendungen in direkter Konkurrenz zu den Ultraschallsensoren.

Das Impulslaufzeitverfahren
Ultraschallsensoren arbeiten nach dem Impulsmeßverfahren basierend auf der Schallgeschwindigkeit von circa 330 m/s. Eine Million mal schneller ist die Lichtgeschwindigkeit c, die grob 300.000 km/s beträgt und die Arbeitsgeschwindigkeit von Laserentfernungsmeßsensoren ist. Das Meßobjekt wird mit einer Serie von Laserimpulsen mit einer optischen Divergenz US und einigen Nanosekunden Halbwertsbreite beleuchtet.
Das reflektierte Licht wird abhängig vom Durchmesser Ø der Empfangsoptik mit einem Öffnungswinkel UE, proportional λ/Ø, erfaßt und im Meßgerät nach kurzer Zeit (abhängig vom Abstand des Objektes - 150 m entsprechen zum Beispiel einer Laufzeit [hin und zurück] von circa einer Mikrosekunde) mit hoher zeitlicher Auflösung im sub-Nanosekunden-Bereich detektiert.
Dieses Verfahren nennt man das Impulslaufzeitverfahren oder Time-of-Flight (ToF)-Verfahren. Die Abstandsmessung erfolgt indirekt über eine Zeitmessung, das heißt jeder Sendeimpuls triggert gleichzeitig einen Zähler, der die Zeit mißt bis der vom Meßobjekt reflektierte Laserimpuls auf den Detektor, i.a. eine APD, trifft und den Zähler stoppt. Aus der Zeitdifferenz zwischen Start- und Stop-Puls berechnet sich die Laufzeit ΔT. Mit Hilfe der Lichtgeschwindigkeit c errechnet sich die Entfernung D zum Meßobjekt: D = c x ΔT/2. Soll die Entfernung mit einer Auflösung von einem Zentimeter gemessen werden, so ist eine Genauigkeit der Zeitmessung von mindestens 66 Pikosekunden (10-12s) erforderlich, was hohe Anforderungen an die Nachweiselektronik stellt.

Das Phasenvergleichsverfahren
Bei diesem Verfahren wird der Amplitude des nicht gepulsten Laserstrahls ein sinusförmiges Signal mit der Frequenz f aufmoduliert, wobei sich die Wellenlänge des Modulationssignals nach λ = c/f berechnet. Zur Vermeidung von Mehrdeutigkeiten in der Entfernungsmessung ist der Einsatz mehrerer Modulationsfrequenzen erforderlich. Die Entfernung D zum Meßobjekt ergibt sich aus der Summe der Anzahl N der Wellenzüge und des Wellenlängenanteils Δλ nach der Formel D = (Nxλ1 + Δλ1)/2. Unter der Voraussetzung λ2 2D λ1 ergibt sich für N ≈ λ1/ λ2. In der Meßgerätefamilie LDM 40 der Jenoptik L.O.S. GmbH werden fünf Meßfrequenzen genutzt, um den Eindeutigkeitsbereich auf 150 m zu erweitern. Einsatzgebiete sind unter anderem die Steuerung von Kranbahnen beziehungsweise schienengebundenen Transportfahrzeugen im allgemeinen, die Überwachung von Produktionsanlagen, wie etwa die Automatisierung einer Brennschneidmaschine zum Abtrennen von kundenspezifischen Brammen, die Brammenverfolgung im Stoßofen, die Bandschlaufenkontrolle bei der Blechherstellung, bis hin zur Schüttgutüberwachung und Füllstandsmessungen.
Dr. Werner Reiland

Ausgabe:
bbr 03/2005
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