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Laserdistanzsensoren bis 500 m

Scharfer Blick in die Ferne

03. August 2021, 13:34 Uhr   |  Von Dirk Fokkens, Dimetix

Scharfer Blick in die Ferne
© Ismael Jorda | Shutterstock

Für Anwendungen, in denen große Distanzen mit hoher Genauigkeit und möglichst schnell gemessen werden müssen, hat Dimetix seine neuen Laserdistanzsensoren entwickelt. Sie kombinieren Laufzeit- und Phasenversatzmessung und erfassen Entfernungen von 0,05 bis zu 500 Metern auf den Millimeter genau.

Laserdistanzsensoren haben sich mittlerweile in vielen Anwendungen etabliert. Typische Applikationen reichen von Regalbediengeräten und automatischen Lagersystemen in Distributionszentren über Füllstandskontrollen in großen Tanks bis hin zum Maschinenbau.

Laserdistanzsensoren messen klassischerweise entweder die Lichtlaufzeit oder die Phasenverschiebung. Bei der Laufzeitmessung wird ein kurzer Lichtpuls ausgesandt. Aus der Pulslaufzeit – also der Zeit, die der Lichtstrahl braucht, um von der Quelle zu einem Reflektor und wieder zurück zur Quelle zu laufen – lässt sich dann die Entfernung ermitteln. Diese Methode ist schnell, durch die anspruchsvolle Zeitmessung aber oft nicht ausreichend genau. Bei Distanzen von mehreren hundert Metern liegt die Auflösung üblicherweise nur im Zentimeterbereich. Alternativ wird deshalb auch die Phasenverschiebung des reflektierten Laserstrahls gegenüber dem ausgesandten Strahl ausgewertet. Sie ist entfernungsabhängig, also lässt sich damit die zurückgelegte Distanz ermitteln. Diese Messung ist deutlich genauer, aber durch die aufwendigere Auswertung nicht so schnell wie die reine Laufzeitmessung.

Kombiniertes Messverfahren: schnell und genau

Die Schweizer Sensorikspezialisten bei Dimetix gehen deshalb
einen anderen Weg. Bei ihren Long-Distance-Lasersensoren (Bild 1) kombinieren sie im Prinzip die Vorteile beider Messmethoden, indem sie sowohl Laufzeit als auch Phasenversatz auswerten (Bild 2).

Laserdistanzsensoren für schnelle und genaue Messergebnisse bis 500 m
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Bild 1: Laserdistanzsensoren für schnelle und genaue Messergebnisse bis 500 m.

Um eine hohe Messgeschwindigkeit zu erreichen, arbeitet das Verfahren mit einer Hochfrequenzmodulation der Laseramplitude und wertet die Phasenlage und den Abstand dieser aufmodulierten Hochfrequenzsignale (Bursts) aus. Dabei wird der Laserstrahl in kurzen Abständen amplitudenmoduliert.

Um eine hohe Messgeschwindigkeit zu erreichen, arbeitet das Verfahren mit einer Hochfrequenzmodulation der Laseramplitude und wertet die Phasenlage und den Abstand dieser aufmodulierten Hochfrequenzsignale (Bursts) aus
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Bild 2: Um eine hohe Messgeschwindigkeit zu erreichen, arbeitet das Verfahren mit einer Hochfrequenzmodulation der Laseramplitude und wertet die Phasenlage und den Abstand dieser aufmodulierten Hochfrequenzsignale (Bursts) aus.

Dadurch kann man sehr schnell die entfernungsabhängige Laufzeitverschiebung der einzelnen Pulspakete messen, aber auch die Phasenverschiebung der einzelnen Wellen zueinander innerhalb der modulierten Pakete. Die Sensoren messen deshalb schneller als normalerweise üblich und liefern auch bei großen Entfernungen genaue Werte.

Die Laserdistanzsensoren der D-Serie eignen sich für Distanzen von 0,05 bis 500 m und messen mit einer Genauigkeit von ±1 mm bei einer Wiederholgenauigkeit von ±0,3 mm. Sie arbeiten üblicherweise gegen eine orange Reflexfolie. Bei Distanzen bis 100 m gelten die Genauigkeitswerte aber auch für natürliche Oberflächen und selbst bei schwarzen Zielflächen oder direkter Sonneneinstrahlung im Außeneinsatz können die Geräte zuverlässige Messergebnisse liefern.

Die Messgenauigkeit wird mit einer statistischen Sicherheit von 95,4% spezifiziert (entsprechend ISO1938-2015). Das ist gleichbedeutend mit +x 2o also zweimal die Standardabweichung
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Bild 3. Die Messgenauigkeit wird mit einer statistischen Sicherheit von 95,4% spezifiziert (entsprechend ISO1938-2015). Das ist gleichbedeutend mit +x 2o also zweimal die Standardabweichung.

Ihre Messgenauigkeit wird mit einer statistischen Sicherheit von 95,4 % spezifiziert (entsprechend ISO 1938-2015). Das ist gleichbedeutend mit ±2σ also zweimal die Standardabweichung (Bild 3). Distanzfehler durch Temperatureinflüsse und Linearitätsfehler sind hierbei bereits berücksichtigt. Die Messgeschwindigkeit reicht bis 250 Hz bei einer Ausgaberate von 1 kHz. All diese Eigenschaften können Anwender auch im erweiterten Temperaturbereich von -40 bis +60 °C nutzen.

Für jede Anwendung der passende Distanzsensor

Dank ihrer geringen Abmessungen von 140 mm Länge, 78 mm Breite und 48 mm Höhe lassen sich die nur 350 g leichten Distanzsensoren gut in die unterschiedlichen Anwendungen integrieren und beispielsweise am Mast eines Regalbediengeräts befestigen. Das robuste Gehäuse erfüllt die Anforderungen nach IP65, bietet damit auch in rauer Industrieumgebung und beim Außeneinsatz Schutz.

Die Laserdistanzsensoren werden in acht unterschiedlichen Varianten angeboten, die bei sonst gleichen Eigenschaften unterschiedliche Anforderungen an Reichweite und Auflösung abdecken, sodass niemand für technischen Overhead bezahlen muss. Für eine kostenoptimierte Lösung lohnt es sich, genau zu überlegen, ob nicht ±3 mm Genauigkeit ausreichend ist. Bei Innenanwendungen genügt zudem meist ein Temperaturbereich von -10 bis +50 °C. Standardmäßig integriert sind ein Analogausgang 0/4...20 mA, serielle Schnittstellen sowie digitale Ein- und Ausgänge. Als Option stehen Profinet, Ethernet/IP und EtherCAT zur Verfügung. Dazu wird das Schnittstellenmodul des Sensors einfach ausgetauscht.

Anwendungsbeispiel Intralogistik

Anwendungsbeispiele für die Long-Distance-Lasersensoren gibt es viele, z.B. in der Intralogistik: In Distributionszentren werden meist Regalbediengeräte eingesetzt, um palettierte oder anderweitig verpackte Produkte in den dicht gepackten, mehrstöckigen Lagern auftragsbezogen ein- und auszulagern. Bei einem solchen Regalbediengerät bewegt sich der Transportwagen sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung. Die Sensoren befinden sich an den Masten der Regalbediengeräte und messen millimetergenau die Positionen, an welchen die Regalfächer bedient werden, sowohl in horizontaler als auch vertikaler Richtung. Dabei werden die typischen Positionierungsfehler vermeiden, wie sie bei Rad-Encodern durch Schlupf vorkommen können, und die sich schlimmstenfalls auch noch akkumulieren. Auch nach einem Neustart der Anlage misst der Lasersensor sofort die korrekte Position ohne spezielle Inbetriebnahme oder Referenzfahrt.

Ein ähnlicher Anwendungsfall findet sich auch bei ASRS-Shuttle-Systemen, die in vielen Distributionszentren zur Auftragsabwicklung und Lagerung eingesetzt sind.

Sie ermöglichen die Ein- und Auslagerung selbst in dicht gepackten, mehrstöckigen Lagern. Dazu fährt ein Transport-Shuttle auf einer horizontalen Linie parallel zu den Gestellen. Der im Schlitten eingebaute Sensor misst konstant den Abstand zur gegenüberliegenden Wand am Ende des Regalgangs. So kann der Shuttle millimetergenau an der Stelle platziert werden, an der Produkte ein- oder ausgeladen werden müssen. Da die Lasersensoren auch auf weiten Distanzen mit einem kleinen Laserpunkt messen, funktioniert eine solche Lösung auch bei sehr langen Regalreihen, ganz nach Bedarf mit einer absoluten Genauigkeit von 1 oder wahlweise 3 mm, und auch hier lassen sich Positionierfehler vermeiden. Durch den weiten Temperaturbereich ist zudem der Einsatz in verschiedenen Lagerbereichen möglich, wie z.B. in Lebensmittellagern, Verteilzentren von Tiefkühlkost, Lagerhallen für Kleinartikel oder in Langgutlagern.

Was für die Intralogistik gilt, ist auch auf andere Bereiche und Branchen übertragbar, z.B. bei der Vermessung von Langhölzern vor der weiteren maschinellen Bearbeitung oder beim Zuschneiden von Stahlrohren. Weitere Anwendungen finden sich als Kollisionsschutz bei Kranen oder bei der Steuerung oder Überwachung von Schleusentoren. Überall wo fürs präzise Positionieren schnell, genau und auf weite Entfernung gemessen werden muss, sind die Long-Distance-Lasersensoren in ihrem Element.  

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