Um Ausfälle nicht nur ad hoc, sondern auch vorausschauend zuverlässig erkennen zu können, ist eine kontinuierliche, automatische Überwachung der Funktion von Anlagen und Maschinen, Antrieben jeder Art und rotierenden beziehungsweise gelagerten Maschinenteilen erforderlich. Für diese Art Predictive Maintenance spielen Vibrationsmuster eine Schlüsselrolle.

Bisher dienen Techniken wie MEMS- oder Piezosensoren sowie Mikrofone der Aufnahme von Vibrationen. Die meisten dieser Lösungen müssen an den Antrieb beziehungsweise die Maschine montiert werden und erfordern eine aufwendige Verkabelung oder wartungsintensive Batterien. Während der Montage muss die Maschine oder sogar die Anlage stillstehen – für viele industrielle Produktionsverfahren inakzeptabel. Außerdem sind Sensoren auf MEMS-, Piezo- oder Mikrofonbasis selten empfindlich genug, um Verände-rungen frühzeitig zu erkennen, und zudem anfällig gegen Störungen durch Umgebungsgeräusche oder -vibrationen. Hinzu kommt, dass Mikrofone Vibrationen von mechanischen Teilen nicht direkt erfassen können, sondern nur dann, wenn diese akustische Schwingungen im Frequenzbereich des Mikrofons erzeugen.

Vor allem die enorme Menge bestehender, oft jahrzehntealter Anlagen ist nur mit großem operativen und finanziellen Aufwand mit Sensoren dieser Art nachzurüsten – oftmals auch gar nicht, falls der nötige Einbauplatz nicht vorhanden ist, die Oberfläche zu heiß beziehungsweise feucht ist oder das Objekt sich im Raum bewegt.

Laser misst Vibrationen

Funktionsprinzip einer ‚Self-Mixing Laser Diode‘ (SMLD): Bei diesem Verfahren wird auf Basis einer Laserdiode ein Inter­ferometer realisiert, das die Geschwindigkeit und den Abstand eines Zielpunkts relativ zur Laserdiode misst. Die Technik basiert auf einer Interferenz des vom Ziel reflektierten Lichts mit dem Licht innerhalb der Laser-Cavity.

© AMS Technologies

Einen anderen Ansatz verfolgt ein optischer Sensor, der vom israelischen Unternehmen VocalZoom entwickelt und über den Lösungsanbieter AMS Technologies vertrieben wird. Dieser Sensor erlaubt die präzise, berührungs-lose Messung von Vibration – genauer gesagt, von Position und Geschwin-digkeit – aus einer Distanz von bis zu 3 m. So lässt sich eine einzelne Maschine auch problemlos, ohne aufwendige und teure Verkabelung, mit mehreren Sensoren an unterschiedlichen Stellen überwachen.

Basis des Messverfahrens ist eine selbstmischende Laserdiode (Self-Mixing Laser Diode, SMLD). Bei diesem Verfahren wird auf Basis einer Laserdiode ein Interferometer realisiert, das die Geschwindigkeit und den Abstand eines Zielpunkts relativ zur Laserdiode misst. Die Technik basiert auf einer Interferenz des vom Ziel reflektierten Lichts mit dem Licht innerhalb der Laser-Cavity. Die Technologie kommt ohne komplexe Optik aus und benötigt lediglich eine einfache Fokuslinse. Zudem ist der Formfaktor des Sensors sehr klein und wird nur durch die Größe der Laserdiode, des Steuer-ASIC und der Linse bestimmt. Zum Funktionsprinzip einer selbstmischenden Laserdiode: Die Cavity der Laserdiode erzeugt Licht einer stabilen Wellenlänge, das zwischen zwei Spiegeln reflektiert wird und konstant hin- und herläuft. Ein kleiner Teil des Lichts verlässt den Frontspiegel in Gestalt des Laserstrahls in Richtung Ziel. Trifft dieser Laserstrahl auf das Ziel, wird das Licht in alle Richtungen gestreut – und ein kleiner Teil dieses gestreuten Lichts reflektiert zurück in die Laser-Cavity. Dort interferiert das reflektierte Licht mit dem von der Laserdiode erzeugten Licht, wodurch sich dessen Wellenlänge minimal ändert. Diese Wellenlängenänderung führt wiederum zu einer minimalen Änderung in der Leistungsaufnahme des Lasers. 

Stillstandzeiten sind passé

Konzept des SMLD-Sensors von VocalZoom: Das ASIC misst die Leistungsaufnahme der selbstmischenden Laserdiode mit hoher Genauigkeit, extrahiert mithilfe von ausgefeilter Signalverarbeitung die Nutzsignale Geschwindigkeit und Abstand und gibt diese über eine schnelle HDMI-Schnittstelle aus.

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Mit dieser Technik lässt sich ein Inter-ferometer realisieren, in welchem hoch-genaue Messtechnik die Interferenzen über die Leistungsaufnahme der Laser-diode erfasst und mithilfe von ausge-feilter Signalverarbeitung in einem speziellen ASIC das Nutzsignal (Geschwindigkeit und Abstand) extrahiert. Am Sensorausgang liegen diese Nutzdaten somit bereits direkt an und werden über eine HDMI- bezie-hungsweise USB-Verbindung an einen PC für die Weiterverarbeitung übertragen.

Für die Applikation des nur 15 mm x 6 mm großen Sensors sind Stillstandzeiten für die Sensormontage ebenso wenig nötig wie zertifizierte Maschinentechniker. Da der Sensor berührungslos arbeitet, kann er zudem jede Oberfläche und jedes Material vermessen – auch sehr kleine, unzu-gängliche oder sich bewegende Ziele sowie heiße oder nasse Oberflächen. Dadurch ist der Sensor eine einfache Lösung, Predictive Maintenance für den Maschinen- und Anlagenpark in allen denkbaren Industriezweigen zu realisieren. Für die effiziente Überwachung großer Areale lässt sich der Sensor an einem Roboter oder einer Drohne montieren und sequenziell auf viele Ziele ausrichten. Erfassen lassen sich Vibrationsfrequenzen bis 6 kHz sowie sehr langsame Schwingungsvorgänge in einem ultraniedrigen Frequenzbereich. Das Interferometer ist unempfindlich gegen Umgebungs- und Hintergrundlicht oder -rauschen.

Einfacher Einstieg

Caspar Grote ist Technischer Redakteur bei AMS Technologies in Martinsried.

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Für Tests der Technologie stellt AMS Technologies ein VocalZoom Evaluation Kit bereit. Hier ist der Sensor für ein-facheres Handling in einem geschloss-enen Gehäuse untergebracht, das über eine Standard-Stativbuchse (1/4 Zoll UNC) verfügt und so die Montage der Einheit an einer Vielzahl handelsüblicher Stative und Halterungen erlaubt. Ein 150 cm langes Micro-HDMI-Kabel verbindet das Sensorgehäuse mit der Schnitt-stelleneinheit, die ihrerseits eine USB-Schnittstelle zu einem PC bereitstellt. Im Lieferumfang des EVK ist zudem eine Software enthalten, mit der sich die Daten des Sensors (Geschwindigkeit und Entfernung) auf dem PC erfassen, anzeigen, analysieren und abspeichern lassen.
AMS Technologies erstellt auf Anfrage kundenspezifische Systeme auf Basis des Sensors inklusive robuster Gehäuse- und Befestigungslösungen, elektronischer Komponenten und Schnittstellen nach Kundenvorgaben.