AMA-Innovationspreis 2014
Große Zukunft für optische Messverfahren
Fortsetzung des Artikels von Teil 3
Wegsensor mit Pikometer-Auflösung
Der FPS3010 wurde von Martin Zech, Attocube Systems, entwickelt und ist ein optischer Distanzsensor, der Abstandsmessungen im Sub-Nanometer-Bereich in Echtzeit ermöglicht. Er erfasst Positionsveränderungen von maximal drei Objekten bei Arbeitsabständen bis zu 40 cm. Dabei erreicht er eine Positionsauflösung von einem Pikometer (1012 m) bei einer Geschwindigkeit von 1 m/s.
Für Distanzmessungen mit höchster Auflösung verwendet man optische Verfahren, die die Lichtwellenlänge nutzen. Ein verbreitetes Prinzip ist das Michelson-Interferometer, bei dem ein Messstrahl und ein Referenzstrahl mit der Periodizität einer halben Wellenlänge überlagert werden, wobei sich entweder Verstärkung oder Auslöschung ergibt. Bei Veränderung des zu messenden Abstands entsteht ein periodisches Intensitätsmuster am Detektor; durch Auszählen der Maxima und Minima kann man relativ einfach Verschiebungen in der Größenordnung der Lichtwellenlänge messen. Diese stellt dabei nicht grundsätzlich die Untergrenze des Messbereichs dar, mittels Interpolation kann man auch noch darunter kommen. Wegen des Sinusverlaufs erhält man jedoch nur an den steilen Flanken eine brauchbare Genauigkeit, nicht aber bei den Maxima und Minima. Außerdem ist die Verschieberichtung nicht feststellbar. Der Ausweg ist eine Doppelausführung mit einer Viertel-Wellenlänge Phasenverschiebung zwischen beiden Strahlen; so erhält man ein Sinus- und ein Cosinus-Signal, die sich nach dem Quadraturprinzip gegenseitig ergänzen. Gegeneinander aufgetragen ergibt sich ein Kreisdiagramm. Damit sind sehr hoch aufgelöste Interpolationen möglich.
Der Nachteil dieses Instruments: Es lässt sich nicht miniaturisieren. Als geeignete Alternative fanden Zech und seine Kollegen ein Fabry-Perot-Interferometer (Bild 5). Bei diesem wirkt der Zwischenraum zwischen zwei teilreflektierenden planparallelen Platten als Resonator, dazwischen bilden sich stehende Wellen aus. Hier ist eine Miniaturisierung wesentlich leichter möglich. Zur Lichtzu- und -rückleitung dient eine Glasfaser. Bei Änderung des Abstands zwischen den Platten ändert sich auch das zurückfließende Licht periodisch in seiner Intensität. Das Quadraturprinzip mit zwei um eine Viertel-Wellenlänge versetzten Strahlen ist hier nicht ohne weiteres anwendbar. Man hat aber einen anderen Weg gefunden, um höchste Messauflösungen weit unterhalb der Wellenlänge zu erreichen. Die Strahlung der Laserdiode (DFB, einmodig, 1535 nm) erfährt über eine Strommodulation eine leichte Wellenlängenmodulation um wenige pm bei einer Frequenz von 12,5 MHz. Auf diese Weise lässt sich ebenfalls ein Quadratursignal erhalten. Der Winkel im Kreisdiagramm ist ein Maß für die Position. Beim praktisch aufgebauten System wurde bei einer Messbandbreite von 10 MHz 1 pm Auflösung erreicht. Damit lassen sich z.B. die Schwingamplituden von Piezoelementen messen. Die Messköpfe selbst sind nur wenige Millimeter groß [4].
Die Preisverleihung findet am 3. Juni 2014 auf der Messe Sensor+Test in Nürnberg statt.
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