Christian Becker
Untersuchung von Sensorsystemen für hochgenaue Abstandsmessungen
Schwerpunkt der Arbeit sind Untersuchungen über Einsatzmöglichkeiten von sowohl Triangulations- als auch Wirbelstromsensoren für Abstandsmessungen gegenüber flüssigen und festen Oberflächen. Diese Aufgabe resultiert aus dem Vorhaben des Unternehmens "Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY", ein neues Meßsystem für die Basisvermessung von Linearbeschleunigern zu entwickeln.
Nach theoretischen Vorüberlegungen wurden insgesamt sieben Testsensoren unter gleichbleibenden Bedingungen getestet. Die Meßprogramme resultieren aus den spezifischen Anforderungen an Sensoren bei einem angedachten Einsatz als Meßmittel bei DESY. Voraussetzung dafür waren Entwurf und Aufbau eines Meßsystems und dessen Einsatz unter begründeten Laborbedingungen. Zum Einsatz kamen 5 Triangulationssensoren und 2 Wirbelstromsensoren.
Die Untersuchungen führten zu folgenden Ergebnissen:
Sensoren, die nach dem Triangulationsprinzip arbeiten, erfüllen durchaus die zu erwartenden Meßaufgaben bei der Basisvermessung von geplanten Linerarbeschleunigern.
Als Alternative sind photogrammetrische Verfahren mit den vorteilhaften Möglichkeiten einer 3D-Erfassung der Meßpunkte insbesondere für Lagevermessungen zu prüfen. Ihr Einsatz für Abstandsmessungen gegen flüssige Oberflächen ist jedoch fraglich.
Triangulationstaster dagegen stellen auf Grund ihrer Fähigkeit, flüssige Oberflächen mit ausreichender Genauigkeit zu erfassen, eine günstige Möglichkeit der Abtastung hydrostatischer Systeme dar. Jedoch hat sich gezeigt, daß nur qualitativ hochwertige Sensorsysteme den Genauigkeitsansprüchen von DESY genügen.
Die Schwächen optischer Systeme - und damit auch der Triangulationssensensoren - liegen in der Anfälligkeit gegenüber äußeren Störgrößen, insbesondere der Verschmutzung oder des Beschlagens des Sichtfensters eines geschlossenen hydrostatischen Systems. Deshalb müssen Verschmutzungsprobleme entweder technisch gelöst werden, oder es muß ein gewisser Reinigungsaufwand in Kauf genommen werden.
In der nachfolgenden Tabelle werden die wesentlichen Ergebnisse einer Vielzahl von Messungen mit Triangulationssensoren zusammengefaßt.
| MICRO EPSILON IDL 2000-20 |
KEYENCE LK-031 |
BAUMER S14C |
SICK OD50-10 P145 |
MICRO EPSILON modifiz. IDL 2000-5 |
|
| Meßbereich | 20 mm | 10 mm | 20 mm | 20 mm | 3,5 mm |
| Mittlere Standardabweichung Abstandsmessungen gegen günstige feste Oberflächen |
1,8 µm | 2,3 µm | 12,7 µm | 45 µm | - |
| Mittlere Standardabweichung Abstandsmessungen gegen Bohrmilch |
5,5 µm | 11,6 µm | 18,0 µm | 21,2 µm | - |
| Mittlere Standardabweichung Abstandsmessung gegen Wasser |
4,1 µm | 2,4 µm | - | - | 1,5 µm |
| Temperaturdrift Meßbereich 0 - 40°C |
0,2 µm / K | 1,2 µm / K | 1,1 µm / K | 1,0 µm / K | - |
| 48- Stunden- Drift | keine | keine | keine | 7µm / d | - |
Die deutlichen Vorteile der Wirbelstromsensoren liegen in deren bekannten Unempfindlichkeit gegenüber Verschmutzungen. In der Arbeit konnte gezeigt werden, daß solche Sensoren bei Messungen gegen metallische Meßobjekte durchaus die aufgabengemäß an sie gestellten Genauigkeitsanforderungen erfüllen. Nachfolgende Tabelle stellt ausgewählte Meßergebnisse der Wirbelstromsensoren zusammen.
| MICRO EPSILON DT110-T-U15 |
ALTHEN 1S |
|
| Meßbereich | 15 mm | 1 mm |
| Mittlere Standardabweichung Abstandsmessung gegen metallische Oberflächen |
2,0 µm | 0,3 µm |
| Temperaturdrift Meßbereich 10 - 60°C |
0,6 µm | 0,7 µm |
| 48- Stunden- Drift | keine | keine |
Es bestätigte sich, daß Wirbelstromsensoren für Messungen gegen flüssige Oberflächen, insbesondere Wasser, nicht eingesetzt werden können.
Zusätzlich problematisch ist ihr geringer Arbeitsabstand und ihre Neigungsempfindlichkeit.
Alle Untersuchungen dieser Arbeit fanden unter Laborbedingungen statt. Zwar wurden denkbare Störeinflüsse simuliert, jedoch fanden alle Messungen in einer statisch stabilen Versuchsanordnung statt. Der mögliche zukünftige Einsatzort der Meßsysteme wird aber ein beweglicher Wagen sein. Aus diesem Grund sind weitere Untersuchungen vorrangig mit Triangulationssensoren nötig.
Der Autor maßt sich nicht an, am Markt vorhandene Meßsysteme mit preislichen und qualitativen Unterschieden in "gute" bzw. "schlechte" Systeme einzuteilen. Auch ist bekannt, daß der vermehrte Einsatz integrierter Schaltungen zukünftig weitere Fortschritte auch der Sensor- und Meßtechnik erwarten läßt. Insbesondere kann man davon ausgehen, daß die Linearität von Sensoren verbessert wird. Diese Aussagen wurden vom Unternehmen MICRO EPSILON bestätigt.