AMA Innovationspreis 2019 Vier in der Endausscheidung

Faseroptischer Sensor für absolute Distanzmessung

Abstände sind in zahllosen industriellen Anwendungen zu messen. Die Messmethoden dafür sind heute bereits vielfältig, doch es gibt immer wieder Fälle, wo die etablierten Verfahren nicht geeignet und Sonderlösungen erforderlich sind – so etwa in Umgebungen mit hohen Temperaturen oder starken elektrischen oder magnetischen Feldern. Hier sind faseroptische Sensoren vorteilhaft. Bei diesen fließen an der eigentlichen Messstelle keine Ströme, sondern nur in den optischen Sendern und Empfängern in größerer Entfernung.

Zwei Arten sind zu unterscheiden: Bei den »intrinsischen« reagiert die Faser selbst auf die Messgröße; bei den »extrinsischen« dient sie nur als Zuleitung zum Sensorelement; in diesem findet ein physikalischer Effekt statt, bei dem die Messgröße das Licht in irgendeiner Weise beeinflusst – etwa in Amplitude, Phase, Polarisationsrichtung oder Spektrum, wonach es entweder über dieselbe oder eine andere Faser zur Auswertestation zurückfließt.

Der von Dr. Celal Mohan Ögün und seinem Team bei der trinamiX GmbH in Ludwigshafen entwickelte Abstandssensor »XperYen« gehört in die Klasse der extrinsischen. Hier kommt ein neuartiges Messprinzip zum Einsatz, genannt Strahlprofil-Analyse, erfunden bei BASF. Nachdem sich dieses Konzept als sehr äußerst vielversprechend gezeigt hat, wurde der Bereich als eine eigene Tochterfirma ausgegründet. Optischer Sender und Empfänger befinden sich hier – im Gegensatz zum verbreiteten Triangulationsverfahren – im selben Gehäuse. An der eigentlichen Messstelle sitzt nur ein ganz kleiner Messkopf, der lediglich eine mechanische Halterung für die Faserenden und eine einfache abbildende Optik enthält. Er ist monokular ausgeführt, d. h. die einzige Linse dient sowohl zum Kollimieren des gesendeten Lichtstrahls als auch zum Sammeln des vom Messobjekt reflektierten Lichts.

In der Auswerteeinheit strahlt eine Lichtquelle sichtbares oder Infrarotlicht in eine zentrale Sendefaser, die zum Messkopf führt, dort von der Linse gebündelt wird und auf das zu erfassende Objekt fällt. Der hier sehr kleine Lichtfleck wird mithilfe derselben Linse auf die Oberfläche eines optischen Sensors abgebildet - ganz bewusst nicht in der Brennebene, sondern gezielt unscharf, so dass er sich zu einen größeren Kreis aufweitet.

Das Licht tritt dann in die Enden von mehreren um das Zentrum herum liegenden Empfangsfasern im selben optischen Kabel ein (Bild 7), läuft durch diese zur Auswerteeinheit (Bild 8) und fällt dort auf einen geeigneten optischen Detektor. Das kann im Prinzip ein normaler CMOS-Bildsensor sein; allerdings wäre ein solcher für viele schnell ablaufende industrielle Prozesse zu träge und würde außerdem eine aufwändige Software zur Analyse erfordern. Günstiger sind mehrere einzellige Fotodioden in einer ausgeklügelten Anordnung; sie reagieren bedeutend schneller und kommen mit einer einfachen Analogelektronik aus.

Das wesentliche Merkmal der Strahlprofil-Analyse: Sie arbeitet komplett unabhängig vom Durchmesser des Lichtflecks. Somit ist sowohl eine divergierende LED als auch ein kollimierter Laser als Lichtquelle verwendbar. Ausgangsbasis zur Berechnung des Abstands ist die relative Intensitätsverteilung zwischen den einzelnen Messpfaden. Die absolute Lichtintensität und die Farbe bzw. die Reflektivität des Objekts spielen keine Rolle, auch nicht die Eigenschaften der Fasern wie Typ, Länge oder Material. Deshalb ist der Einsatz günstiger Kunststofffasern und temperaturstabiler Glasfasern, aber auch Ein- oder Multimodenfasern mit beliebiger Länge möglich. Bewegliche mechanische Teile wie einstellbare Objektive oder Irisblenden sind nicht erforderlich. Der Messbereich ist 25 bis 120 mm, der Linearitätsfehler bleibt unter 1 mm.

Die möglichen Anwendungen von XperYenZ liegen vor allem im Bereich hochautomatisierter Fertigung, in denen Konzepte wie Industrie 4.0 umgesetzt werden sollen. In der Verpackungsindustrie ist ein typisches Beispiel die Kontrolle, ob in jeder Keks- oder Tablettenpackung ein Produkt liegt. Das Einsparpotential eines eng überwachten und voll automatisierten Produktionsprozesses übersteigt die Kosten für XperYenZ-Fasersensoren um ein Vielfaches.

Der oder die Gewinner des Preises werden am 25. Juni 2019 auf der Eröffnungsveranstaltung der Sensor + Test 2019 in Nürnberg bekanntgegeben.