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Berührungslose Schaltsysteme

Time-of-Flight-Sensoren erobern den Massenmarkt

Rawe
Schmutzpartikel am TOF Sensor führt zu nicht brauchbaren Ergebnissen
© Rawe

Time-of-Flight (TOF) Sensoren erfreuen sich immer größerer Beliebtheit. Ihren Einsatz finden sie überall da, wo berührungsloses Schalten gefragt ist. Applikationsentwicklung und -Produktion solcher Systeme bietet der EMS Rawe aus einer Hand.

Dass TOFs inzwischen derart attraktiv sind, liegt vor allem an der immer höheren Genauigkeit der Messmethode, kleineren Bauformen und der zunehmenden preislichen Attraktivität für den Massenmarkt. Gute Produkte sind bereits unter 2 Euro verfügbar. Mögliche Einsatzbereiche sind zum Beispiel berührungslose Schaltsysteme im Sanitärbereich, in öffentlichen Bereichen und überall dort, wo man einen Schaltvorgang ohne Berührung auslösen möchte. Setzten die Hersteller für massentaugliche Anwendungen bisher meist auf Infrarot oder Radar, so ist inzwischen auch TOF kostengünstig zu realisieren.

TOF Sensoren messen mittels ausgesendetem Lichtpuls die Laufzeit, die das Licht zum Objekt und wieder zurück benötigt. Die erforderliche Zeit ist direkt proportional zur Distanz. Das Messergebnis wird anders als bei herkömmlichen Infrarotsensoren nicht durch die Farbe oder den Reflexionsgrad des Zielobjekts beeinflusst. Viele Hersteller werben mit zu erfassenden Reichweiten von bis zu 5m, hohe Linearität bei kurzen Strecken, Mehrzielerfassung und Unempfindlichkeit gegenüber Abdeckgläsern. Auch wenn es auf den ersten Blick in die Application Notes so scheint, sind herkömmliche TOF Sensoren nicht mit Laser-Entfernungsmessgeräten vergleichbar. Es existieren viele Unterschiede, die erst nach genauerem Hinsehen und ersten Tests in den Fokus geraten.

Die wichtigsten drei Aspekte sind nachfolgend skizziert:

Dem TOF fehlt die passende Optik

Der Time-of-Flight Sensor sendet keinen gebündelten Laserstrahl auf einen definierten Messpunkt. Viel mehr wird ein kegelförmiger Lichtpuls ausgesendet. D.h. je weiter das Messobjekt entfernt ist, desto weniger Photonen treffen auf die zu messende geometrisch kreisrunde Fläche.

Relevante Anbieter

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Lichtpuls tritt kegelförmig aus TOF Sensor aus
© Rawe

Das hat eine Reihe von Folgen, die es zu beachten gilt. Die zurückgemeldete Signalrate und -güte muss sorgfältig und richtig interpretiert werden.

Ein qualitativ hochwertiges Coverglas ist Voraussetzung für ein gutes Messergebnis. Innerhalb der Abdeckscheibe können unangenehme Reflexionen auftreten, die über komplexe Tiefpassfilter kompensiert werden müssen. Große Probleme bereiten Fließspuren bei Plexigläsern oder kleinste Staubpartikel, die während dem Montageprozess eingebracht werden. Mikroskopisch kleine Verschmutzungen machen das Messergebnis unbrauchbar. Bei verklebten Systemen führt dies zu Ausschuss, was nur unter hohem Aufwand korrigierbar ist. Die Baugruppenmontage unter Reinraumbedingungen kann angebracht sein.

Grau ≠ Grau

Anwendungen mit frontseitig angebrachten Abdeckgläsern erfordern, insbesondere bei älteren Produkten, eine Crosstalk Kalibrierung. Die Kalibrierung der Messwerte für Distanz und deren Genauigkeit, Standardabweichung und Offset erfolgt mit sogenannten Weiß- oder Graukarten. Hochwertige Graukarten reflektieren mit 17,68%. Die Erfahrung zeigte, dass identisch spezifizierte Graukarten unterschiedliche Messergebnisse liefern können und so die Kalibrierung unbrauchbar machen. Die Versuche sind je nach Aufbau der Anwendung beliebig komplex, da auf Umgebungslicht (Outdoor/Indoor), Temperatur und viele andere Parameter geachtet werden muss. Die Verwendung der vom Hersteller empfohlenen Farbkarte ist in jedem Fall zu bevorzugen.

Time to Market – Zeit für API Einbindung einplanen

Große Sensorhersteller stellen vermeintlich leicht zu integrierende API Schnittstellen zur Verfügung, die dem Entwickler einfachen und schnellen Einstieg in das Thema nahelegen. Die Realität sieht leider anders aus. Es reicht nicht aus, den Sensor einmal zu initialisieren um die Anwendung ans Laufen zu bringen. Bei jedem Neustart benötigt der Sensor eine Reihe von Konfigurations- und Kalibrierdaten in der richtigen Reihenfolge um bestmögliche Messergebnisse auszugeben. Die Parameter sind auf den Anwendungsfall hin zu ermitteln und mit Hilfe von vielen Testprozeduren sicher zu validieren. Einzelmessungen sind nicht aussagekräftig. So bleibt dem Entwickler die Aufgabe die Ergebnisse vieler Messungen zu mitteln und auf Plausibilität zu untersuchen und unter Umständen die Entprellung der Signale zu übernehmen.

Positiv: Für das Unternehmen entsteht neues Wissen, dass in den Application Notes so detailliert nicht beschrieben ist.  Wichtig: Ein gut organisierter Projektplan stellt für die TOF Entwicklung genügend Zeit und Ressourcen zur Verfügung und sieht die frühzeitige Einbindung von FAE Kapazitäten vor.  Wer einen Entwicklungs- und Produktionspartner für derartige Anwendungen sucht, wird bei Rawe fündig. 


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