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Laser-Triangulationssensoren - Messprinzip

Laser-Triangulationssensoren liefern mit Hilfe des integrierten Mikrocontrollers ein präzises Ausgangssignal, das proportional zur gemessenen Distanz ist. Es wird keine externe Auswerteinheit benötigt. Eine intelligente interne Signalanalyse macht es möglich, dass der Sensor ungeachtet von Farbe und Oberfläche zuverlässig arbeitet. Mit dem kleinen sichtbaren Laserspot kann der Sensor einfach und exakt ausgerichtet werden. Distanzen zu rauen Oberflächen können durch eine feine Laserlinie anstelle des Laserspots zuverlässig gemessen werden.

Der Laser-Distanzsensor basiert auf dem Triangulationsprinzip (ausser LAS-TX. LLD, LAV). Der Laserstrahl trifft als kleiner Punkt auf das Objekt und der Empfänger des Sensors detektiert die Position dieses Punktes. Die Distanzmessung zum Messobjekt erfolgt über die Winkelbeziehung, welche die Distanz berechnet. Die mögliche Auflösung und die Genauigkeit ändern sich mit der Distanz d: Ist d nahe beim Sensor, so verursacht sie eine große Winkeländerung a1. Ist d weiter entfernt, entsteht eine viel kleinere Winkeländerung a2 (siehe Zeichnung). Der Empfänger im Innern des Sensors ist eine Photodiodenzeile (in schnelleren Versionen ein PSD- Element). Die Photodiodenzeile wird durch einen eingebauten Mikrocontroller ausgelesen. Aus der Lichtverteilung auf der Photodiodenzeile berechnet der Controller den exakten Winkel und daraus die Distanz zum Objekt. Diese Distanzmessung wird entweder zum seriellen Port übertragen oder in einen zur Distanz proportionalen Ausgangsstrom umgewandelt. Der Mikrocontroller garantiert hohe Linearität und Messgenauigkeit. Die Kombination von Photodiodenzeile und Mikrocontroller ermöglicht die Unterdrückung von störenden Reflexionen und ergibt selbst auf kritischen Oberflächen zuverlässige Daten. Durch eine Änderung der internen Empfindlichkeit passt sich der Sensor an unterschiedliche Farben an und ist somit nahezu unabhängig von der Objektfarbe. Ist innerhalb des Messbereichs kein Objekt vorhanden oder wird nicht genügend Licht empfangen, wird ein digitaler Ausgang aktiviert (z.B. bei Verschmutzung des Sensors).

Montage und Einstellung

Bei der Abstandserfassung von glänzenden oder spiegelnden Objekten, darf der direkte Reflex nicht auf den Empfänger fallen. Dies kann vermieden werden indem, der Laser-Abstandssensor für die Abstandsmessung leicht abgekippt wird.

Bei allen Distanz messenden Lasersensoren muss darauf geachtet werden, dass der Lichtspot von der Empfängeroptik direkt gesehen werden kann und dass keine Hindernisse vor der Empfängeroptik sind.

Für optimale Messergebnisse muss der Sensor quer zur Objektbewegung montiert werden. Bei Triangulationssensoren gilt die einfache Regel, dass die Distanz zwischen Sensor und Objekt für jede Anwendung so klein wie möglich gewählt wird. Je kleiner die Reichweite, desto besser (mehr als proportional) die Auflösung und die Genauigkeit. Hinweis zur elektromagnetischen Verträglichkeit: Sensor geerdet montieren und geschirmtes Anschlusskabel verwenden.

Laser - Messtaster

Durchsichtige Scheibe im Strahlengang

1. Komplette Abdeckung

Das Fenster soll immer sowohl den Laserstrahl als auch die Beobachtungsoptik für die Abstandserfassung abdecken. Die Lage der Beobachtungsoptik wird durch das rote Abdeckglas des Sensors bestimmt.

2. Fenster vor Messbereich

Das Fenster soll für die Abstandsmessung immer näher am Sensor liegen als der Nahpunkt des Messbereichs. Ist das Fenster innerhalb des Messbereichs, dann kann es bei Verschmutzung als das zu messende Objekt erkannt werden und der Messwert gibt den Abstand zum Fenster und nicht zum Objekt an!

3. Fenster annähernd parallel

Das Fenster muss innerhalb von ±5° parallel zur Vorderfront des Sensors angebracht sein. Bei größeren Winkeln kommt es zu zusätzlichen Fehlern. Wichtig ist, dass auch bei größeren Winkeln der Laserstrahl nicht über die Abdeckung auf die Empfangsoptik gespiegelt wird.

4. Ebenes Fenster

Das Fenster muss optisch „eben“ sein. Wenn das Fenster „Wellen“ hat, dann wird der Laserstrahl irregulär abgelenkt und die Linearität des Messwerts leidet sehr stark. Im allgemeinen ist Plattenmaterial von Plexiglas oder Glas eben. In Form gepresste Teile haben dafür öfters Unebenheiten. Hier kann man durch einen einfachen Test die gröbsten Fehler eliminieren. Man schaue mit einem Auge durch die Scheibe und beobachte ein Linienmuster. Wenn man die Scheibe dreht, darf sich das Muster nicht verzerren.

5. Konstanter Messfehler        

Jedes Fenster im Strahlengang, egal welchen Materials sorgt dafür, dass der gemessene Abstand kleiner ist als der tatsächliche.

Es gilt folgende Faustregel:

Abstandsänderung = Dicke/Materialkonstante      

Beispiel: 3 mm Plexiglas erzeugt über den gesamten Messbereich einen konstanten Fehler von3/2,8 = 1,07 mm.

Spiegel und Laser

Beim Einsatz eines Spiegels muss man berücksichtigen, dass alle Strahlen über den Spiegel aufen; der Laserstrahl und das vom Objekt reflektierte Licht, das zum Empfänger muss.

Bei Verwendung von Spiegeln zu beachten:

1. Man MUSS einen einzelnen Spiegel verwenden (zwei Spiegel können die optischen Achsen von Sender und Empfänger verkippen, dann empfängt man kein Signal mehr).
2. Der Spiegel sollte vor dem Beginn des Messbereichs liegen. Liegt er innerhalb des Messbereichs, dann kann Schmutz auf dem Spiegel dafür sorgen, dass der Abstand zum Spiegel gemessen wir, nicht der Abstand zum Objekt. Ist der Spiegel innerhalb des Messbereichs muss besonders auf Sauberkeit geachtet werden.
3. Der Spiegel muss, wie oben gezeichnet, beide Flächen (Sender und Empfänger) überlappen, damit alle Strahlen über den Spiegel laufen.
4. Man muss einen Oberflächenspiegel nehmen. Normale Spiegel haben zuerst eine Glasschicht, dann die Spiegelfläche. Die Glasschicht stört evtl. Ein Oberflächenspiegel hat die spiegelnde Fläche auf seiner Vorderfläche.
5. Die Reflektivität des Spiegels sollte bei ca. 90% liegen..

Laserwegaufnehmer
 
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