Das direkte Messen der Lichtgeschwindigkeit war für sensorische Zwecke lange Zeit entweder technisch nicht möglich oder aber zu aufwendig und damit zu teuer für Standardanwendungen. So war ein Rückgriff auf indirekte Messmethoden wie die Triangulation und die Phasenkorrelation nötig; mit ihnen arbeiten die meisten der heute am Markt vertretenen optischen Distanzsensoren. Aber: Beim Einsatz in der Fabrikautomation weisen die indirekten Messmethoden ausnahmslos Einschränkungen auf. Zum Beispiel das Triangulationsverfahren: Angesichts der Tatsache, dass die Entfernung aufgrund eines rein geometrischen Zusammenhanges ermittelt wird, eignet sich diese Technologie nur für geringe Entfernungen, weil die Auflösung des Systems direkt von der Entfernung zwischen Sender und Empfänger abhängt. Ergo muss bei größer werdender Mess-Entfernung auch der Abstand zwischen Sender und Empfänger zunehmen – was unweigerlich einen Einfluss auf die Größe des benötigten Sensorgehäuses hat. So ist die Messmethode der Triangulation im praktischen Einsatz in der Fabrikautomation nur in Messbereichen unterhalb von 500 mm sinnvoll einsetzbar.

Die Pulse Ranging Technology: Eine Laserdiode sendet diskrete Lichtimpulse aus, die am Zielobjekt reflektiert und von einem lichtempfindlichen Empfangselement wieder erfasst werden. Der ermittelte Weg zwischen Sende- und Empfangszeitpunkt dient unter Zuhilfenahme der Lichtgeschwindigkeit zur Entfernungsbestimmung zum Zielobjekt.

© Pepperl+Fuchs

Beim Einsatz der Phasenkorrelation ergeben sich Einschränkungen bei der Eindeutigkeit der Mess-Ergebnisse. Ursache dafür ist, dass mit zunehmender Entfernung die Phasenverschiebung von ausgesendeter und empfangener Welle 360° erreicht. Weitere Probleme bereiten dieser Messmethode mehrere Objekte, die sich dem Messstrahl gleichzeitig von verschiedenen Seiten nähern, oder ungünstige Objekt-Oberflächen. Insbesondere dunkle Materialien mit einem geringen Reflexionsfaktor führen zu relativ großen Schwarz-Weiß-Differenzen – was die Reichweite empfindlich einschränkt. Solche Situationen führen zu einem schwachen Signal mit geringer Amplitude, hohem Rauschen sowie hoher Fehleranfälligkeit beziehungsweise einem eingeschränkten Messbereich.

Anders mit der „Pulse Ranging Technology“ (PRT) für die direkte Lichtlaufzeitmessung. Bei dieser Technologie handelt es sich um eine Weiterentwicklung der klassischen Puls-Laufzeit-Messung für den Einsatz in Serienprodukten – es ist also kein exklusives Hochpreis-Verfahren für ausgewählte Einsatzbereiche, sondern eine erschwingliche Technologie für den Massenmarkt.

Gegenüber dem indirekten Verfahren der Phasenkorrelation arbeitet PRT mit diskreten Lichtimpulsen. Diese werden von einer Laserdiode ausgesendet, am Zielobjekt reflektiert und von einem lichtempfindlichen Empfangselement wieder erfasst. Aus dem ermittelten Weg zwischen Sende- und Empfangszeitpunkt lässt sich unter Zuhilfenahme der Licht­geschwindigkeit die genaue Entfernung zum Zielobjekt bestimmen.

Die PRT liefert eine bis zu 1000-mal höhere Energiedichte der Lichtimpulse als Sensoren mit permanent sendender Lichtquelle. So beeinträchtigen Störeffekte durch ungünstiges Fremdlicht oder schlechte Reflexionseigenschaften von Objekt-Oberflächen auf der Messstrecke die Funktionsweise kaum. Die Ergebnisse sind konstant, eindeutig und reproduzierbar – unabhängig von Umgebungsbedingungen wie Oberflächenbeschaffenheit, Farbe oder Fremdlicht. Auch wechselnde Messziele oder Interaktionen mit anderer Sensorik lassen sich mit PRT-Sensoren realisieren.

Durch die geschickte Auswertung der Start- und Stoppflanken der Sende- und Empfangsimpulse wird der Einfluss der Reflektivität des Zielobjektes bei der PRT nahezu herausgerechnet. Dadurch lassen sich relativ preiswerte Laserdioden mit sehr kurzen energiereichen Sende-Impulsen verwenden, die eine Wiederholrate von bis zu 250.000 Einzelmessungen pro Sekunde bieten. Hierdurch ist eine gute statistische Mittelung über viele Einzelmess­ungen bei einer industrietypischen Reaktionszeit der Sensoren möglich.

Kleine Zeitfenster nutzen

Die technische Herausforderung bei PRT-Sensoren besteht im Allgemeinen darin, Sende- und Empfangszeitpunkte hochgenau zu erfassen, um daraus die exakte Lichtlaufzeit und schließlich die aktuellen Entfernungen zu berechnen. Entwicklungsingenieure müssen also unter anderem sehr kleine Impulse stabiler Form erzeugen, die der Sensor mit hoher Frequenz aussendet. Empfangsseitig muss stets eine exakte Bestimmung der Flanken sichergestellt sein – insbesondere wenn es gilt, bei steigenden Entfernungen und schwächer werdenden Pegeln die Nutzsignale vom Rauschen zu trennen. Für alle Operationen stehen nur extrem kleine Zeitfenster zur Verfügung – eine Einschränkung, der sich mit schnellen Mikrocontrollern begegnen lässt.

Blockschaltbild eines PRT-Sensors: Die Lichtimpulse werden von einem Messobjekt reflektiert und im Empfänger ausgewertet. Aus der Start- und Stoppflanke wird ein Zeittor zur Bestimmung der Entfernung gebildet. Durch die integrierte Glasfaserstrecke erfolgt eine fortlaufende Nachkalibrierung des Gerätes.

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Die Einsatzmöglichkeiten von Sensoren mit PRT reichen von der Positionierung von Flurförderfahrzeugen und Fachbelegt-Kontrollen in Hochregallagern über den Kollisionsschutz und Abstandsmessungen an Elektrohängebahnen, Fertigungssystemen, Kranen und Portalen bis zu Stapelhöhenkontrollen, Coil-Dicken-Messungen oder der Durchhangüberwachung. In anderen Einsatzge­bieten gilt es, Objekte zu detektieren und zu klassifizieren, Hubhöhen an Gabelstaplern zu begrenzen oder an Behältern, Mischern und Silos der Prozesstechnik Füllstände zu messen beziehungsweise Füllhöhen zu überwachen. Bei einer Überprüfung der Regalfachbelegung in einem Hochregallager beispielsweise erkennt ein neben den Gabeln des Regalbediengerätes montierter Sensor, ob das Regalfach in erster oder zweiter Tiefe belegt ist und folglich eine Einlagerung möglich ist. Ebenso ermöglicht der kleine präzise Lichtfleck des PRT-Distanzsensors eine exakte Positionierung des Regalbediengerätes. Eine Beeinflussung durch andere Sensorik auf dem vorbeifahrenden Fahrzeug ist ausgeschlossen.

Grundsätzlich bieten sich PRT-Sensoren dann an, wenn binäre oder analoge Sensoren wie zum Beispiel Taster mit Hintergrundausblendung mangels Reichweite an ihre Grenzen stoßen, ein besonders kleiner Lichtfleck gefordert ist oder widrige Umgebungslichtbedingungen bedingt durch Sonneneinstrahlung oder künstliche Beleuchtung zu meistern sind. Im Unterschied zu herkömmlichen Sensoren lassen sich mehrere PRT-Geräte ohne die Gefahr einer gegenseitigen Beeinflussung gegeneinander ausrichten. Somit lassen sich Objekte aus verschiedenen Richtungen vermessen, durch Differenzbildung Dickenmessungen an Papier- und Kunststoffrollen vornehmen und sonstige Gegenstände klassifizieren. Ein PRT-Distanzmessgerät kann zudem zur Ergänzung anderer Wirkprinzipien dienen: Haben zum Beispiel Ultraschall-Sensoren Probleme mit unerwünschten Reflexionen beim Einsatz in räumlich beengten Umgebungen, bietet sich ein PRT-Sensor als Alternative an.

Autor: Thorsten Schroeder ist Produktmanager Optoelektronische Sensoren bei Pepperl+Fuchs in Berlin