12.03.2011 | Für die Wegmessung existieren viele verschiedene Möglichkeiten mit unterschiedlichen physikalischen Messprinzipien. Waren Wegsensoren vor einigen Jahren noch relativ Groß in der Gehäusebauform mit getrenntem diskretem Elektronik-Aufbau, so sind heute bereits viele Sensoren miniaturisiert mit zum Teil integrierter Elektronik. Dabei unterstützen neue Technologien und Fertigungsmöglichkeiten. Ein Vorreiter auf diesem Gebiet ist Micro-Epsilon aus Ortenburg. Ihre Ingenieure haben diesen Trend schon vor Jahren aufgegriffen und in marktfähige Produkte umgesetzt.
Gegründet wurde
Micro-Epsilon 1968 in Hannover. Damals wurden ausschließlich
Dehnungsmessstreifen vertrieben, was bereits der Anfang für das Portfolio in
der Wegmessung sein sollte. 1975 wurde der Unternehmenssitz nach Ortenburg
verlagert und langsam mit einer eigenen Fertigung und Entwicklung begonnen.
Schon damals wurde erkannt, dass die Zukunft für das Unternehmen in der
berührungslosen Wegmesstechnik liegt. Anders als berührende Systeme arbeiten
berührungslose Sensoren völlig verschleißfrei und können daher über lange Zeit
absolut zuverlässige Ergebnisse liefern. Moderne Produktionsanlagen sind auf
möglichst kurze Taktzeiten getrimmt und fordern daher sehr schnelle Erfassungszeiten
von Wegsensoren, die wiederum nur durch berührungslose Techniken sichergestellt
werden können. Bei empfindlichen Objekten, die durch Berührung beeinträchtigt
werden überzeugen berührungslose Sensoren, da diese den Abstand zum Objekt aus
sicherer Entfernung erfassen. Die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit und
Zuverlässigkeit der Wegsensoren sind sehr hoch. Wichtige Einsatzkriterien sind
Grenzfrequenz, Genauigkeit, Temperaturstabilität und Auflösungsvermögen. Zur
Optimierung dieser Eigenschaften treibt das Messtechnikunternehmen
Micro-Epsilon einen großen Entwicklungsaufwand und sorgt damit laufend für
Innovationen.
Umfassende Wegmesstechnik
Seit Beginn der
eigenen Entwicklung hat Micro-Epsilon versucht ein möglichst umfangreiches
Portfolio auf dem Gebiet der Wegmessung zu etablieren. Im Laufe der Jahre wurden
deshalb immer mehr Messprinzipien in das Angebot aufgenommen, so dass das
Unternehmen heute ein sehr umfangreiches Angebot aufweisen kann. Für Kunden
bedeutet dies für Messaufgaben immer eine optimale Lösung zu erhalten, da die
Auswahl nicht durch ein vermindertes Produktprogramm begrenzt wird.
Das Portfolio
umfasst heute im Bereich der berührungslosen Wegmessung die traditionell
elektromagnetischen Verfahren: kapazitiv, induktiv und Wirbelstrom. In der
optischen Wegmesstechnik werden Lasertriangulations- und Laufzeit-Sensoren
sowie konfokale Sensoren angeboten.
Aktuelle Trends in der Wegmesstechnik deuten
auf immer kleinere und intelligentere Sensoren mit integrierter Intelligenz. Im
Maschinenbau ist die Forderung nach besonders kleinen Sensoren immer dann groß,
wenn wenig Einbauraum zur Verfügung steht oder der Sensor besonders leicht sein
soll. Bei der Integration von immer mehr Elektronik und Intelligenz in den
Sensor ist ähnliches zu beobachten. Das heißt, Sensoren, die unmittelbar im
Sensor ein Signalconditioning vornehmen und aufgrund dessen andere Bauteile
einsparen respektive kürzere Messzeiten bedürfen, werden immer häufiger eingesetzt.
Miniatur-Wirbelstromsensoren
Wirbelstromsensoren
sind bei allen elektrisch leitenden Materialien einsetzbar. Da Wirbelströme
Isolatoren ungehindert durchdringen, können sogar Metalle hinter einer
isolierenden Schicht als Messobjekt dienen. Eine spezielle Spulenwicklung
ermöglicht besonders kleine Sensorbauformen, die auch noch bei hohen
Temperaturbereichen einsetzbar sind. Alle Wirbelstromsensoren sind
unempfindlich gegen Schmutz, Staub, Feuchte, Öl und Druck.
Weltweit anerkannt sind die
Miniatur-Wirbelstromsensoren von Micro-Epsilon. Mit 2 mm Frontdurchmesser, 4 mm
Baulänge und nur 0,5 mm Kabeldurchmesser ist dieser kleinste serienmäßig
hergestellte Wirbelstromsensor der Welt ideal für den Einsatz beispielsweise im
Verbrennungsmotor. Dort misst er an verschiedenen Positionen: Kolbenbewegung,
Wellenbahn, Verlagerung, Kolbenring-Bewegung, Schwingungen, Ölfilmdicke und
wenn nötig auch bei befeuertem Motor. Bei einem Messbereich von 500 µm wird
eine Linearität von 1 µm und eine Auflösung bis zu 20 nm erreicht.
Die neueste Errungenschaft ist ein nur
geringfügig größerer Wegsensor mit Keramikgehäuse und O-Ringdichtung für den
Einsatz unter hohen Drücken. Druckbelastungen von über 1000 bar bzw.
kurzzeitige Druckspitzen von 2000 bar wurden erfolgreich absolviert.
Neue Technologie für kapazitive Sensoren
Kapazitive Sensoren
zählen zu den präzisesten Verfahren. Die neuesten Elektroniken ermöglichen
Auflösungen bis in den Pikometerbereich. Kapazitive Sensoren sind als
Schutzringkondensatoren aufgebaut. Mit ihnen erreicht man in der Realität
nahezu eine ideale Linearitätskennlinie. Für eine konstante Messung ist jedoch
eine gleichbleibende Dielektrizitäts-Konstante zwischen Sensor und Messobjekt
die Prämisse, das System reagiert empfindlich auf Änderungen des Dielektrikums
im Messspalt. Kapazitive Sensoren messen auch gegen Isolatorwerkstoffe, da
diese als geändertes Dielektrikum erfasst werden. Ein lineares Ausgangssignal
wird für Isolatoren durch elektronische Beschaltung möglich. Da thermisch
bedingte Leitfähigkeitsänderungen keinen Einfluss auf die Messung haben, ist
das Prinzip auch bei starken Temperaturschwankungen stabil. Messbereiche
zwischen 0,05 mm und 10 mm sind verfügbar.
Bei den völlig
neuen capaNCDT CSH-Sensoren wird mit einem speziellen Keramik-Substrat
gearbeitet, das zu einer besonders hohen Temperaturstabilität führt. Zudem sind
neue Sensorgeometrien möglich, die es erlauben einen sehr flachen Sensor mit
nur 4 mm Bauhöhe zu fertigen. Bisher konnten kapazitive Sensoren nur in einer
zylindrischen Bauform gefertigt werden. Mit diesen Sensoren wird eine Auflösung
von max. 0,037 nm erreicht.
Kompakte Laser-Sensoren
Die
Lasertriangulations-Sensoren gelten als Beispiel für die Miniaturisierung der
Sensorik durch Steigerung der Intelligenz im Sensor selbst. Bei vielen
herkömmlichen Modellen ist neben dem Sensor auch eine separate Elektronikeinheit
nötig. Die Modelle optoNCDT 1302 und 1402 haben ein sehr kleines Gehäuse, in
dem die gesamte Elektronik bereits integriert wurde. Zwölf verschiedene
Messbereiche zwischen 5 mm und 600 mm umfassen die beiden Serien.
Größter Vorteil
dieses Prinzips ist der mögliche Grundabstand. Für heiße oder sich stark
bewegende Messobjekte ist es ein unschätzbarer Vorteil aus größerer Entfernung
messen zu können. Häufig von Bedeutung ist der sehr kleine Messfleckdurchmesser
der Serie optoNCDT, der mit Lasersensoren realisiert werden kann. Dieser liegt
im Bereich von wenigen Mikrometern und kann deshalb auch auf Objekte in dieser
Größenordnung angewendet werden.
Miniatur durch
Gradientenindexlinsen
Mit der Technik der konfokal-chromatischen
Messung sind extrem hohe Auflösungen möglich. Durch das Aufweiten des
Farbspektrums wird eine Auflösung im Nanometerbereich erreicht. Da für die
Abstandsinformation die Farbe benutzt wird, die sich im Fokus befindet,
besitzen konfokale Sensoren einen winzigen Messfleck, der auch Messungen auf
besonders kleine Objekte ermöglicht. Selbst feinste Kratzer auf Oberflächen
werden damit zuverlässig gemessen.
Der Strahlengang
des Sensors ist kompakt und konzentrisch. Dadurch kann man mit dem System zum
Beispiel auch in Bohrungen messen. Besonders geeignet für solche Messungen sind
die konfokalen Miniatursensoren optoNCDT2402, die einen Durchmesser von nur 4
mm haben. Fünf Sensormodelle decken einen Messbereich von 0,4 mm bis 6,5 mm ab
und erreichen eine Auflösung von 0,016 µm . Diese Sensoren sind seit Ihrer
Präsentation auf dem Markt vor drei Jahren unerreicht. Mit den optoNCDT 2402
Sensoren konnte in einem Schritt eine Reduktion des Durchmessers von 23 mm auf
4 mm erfolgen. Dickenmessung von transparenten Folien, Platten oder Schichten
ist mit diesen Sensoren möglich. Im Gegensatz zu anderen Verfahren benötigt das
System für eine derartige Messung nur einen Sensor. Da die Messung lediglich
mit Weißlicht erfolgt, gelten dafür keine Laserschutzvorschriften. Die Sensoren
können auch in explosionsgeschützten Bereichen und in EMV-anfälligen Anlagen
verwendet werden.
Für den anhaltende Drang zur Miniaturisierung ist mit Sicherheit noch
kein Ende in Sicht. Weitere Entwicklungen in diesem Bereich betreffen die
Integration von Elektronik in den Sensor und intelligentere Sensoren, in denen
bereits verschiedene Funktionen implementiert sind. Bereits heute verspricht
Micro-Epsilon in der nächsten Zeit wieder die ein oder andere bahnbrechende
Neuerung vorzustellen. Wann dies geschehen soll, wird aber noch nicht bekannt
gegeben.
