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Neuartiger optischer Distanzsensor

Vibrationen fest im Blick

25. Oktober 2019, 10:30 Uhr | Nicole Wörner

Für Predictive Maintenance konzipiert ist ein neuer optischer Sensor auf Basis einer selbstmischenden Laserdiode. Er misst und analysiert Vibrationen – z.B. von Maschinenteilen – auf eine Distanz von bis zu 3 m berührungslos und in einem breiten Frequenzbereich messen.

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Aktuelle Trends wie Industrial IoT und Industrie 4.0 erfordern eine kontinuierliche, automatische Überwachung der Funktion von Anlagen und Maschinen, Antrieben jeder Art und rotierenden bzw. gelagerten Maschinenteilen, um Ausfälle nicht nur ad hoc, sondern auch vorausschauend zuverlässig erkennen zu können. Für diese Predictive Maintenance spielen Vibrationsmuster eine Schlüsselrolle.

Bisher kommen für die Aufnahme von Vibrationen herkömmliche Techniken wie MEMS- oder Piezosensoren sowie Mikrofone zum Einsatz. Die meisten dieser Lösungen müssen an den Antrieb bzw. die Maschine montiert werden und erfordern eine aufwändige Verkabelung oder wartungsintensive Batterien. Während der Montage muss die Maschine oder sogar die Anlage stillstehen – für viele industrielle Produktionsverfahren inakzeptabel. Zudem sind Sensoren auf MEMS-, Piezo- oder Mikrofonbasis selten empfindlich genug, um Veränderungen frühzeitig zu erkennen, und sie sind anfällig gegen Störungen durch Umgebungsgeräusche oder -vibrationen. Mikrofone können Vibrationen von mechanischen Teilen zudem nicht direkt erfassen, sondern nur dann, wenn diese akustische Schwingungen im Frequenzbereich des Mikrofons erzeugen.

Vor allem die enorme Menge bestehender, oft jahrzehntealter Anlagen ist nur mit großem operativem und finanziellem Aufwand mit Sensoren dieser Art nachzurüsten – oftmals auch gar nicht, falls der nötige Einbauplatz nicht vorhanden ist, die Oberfläche zu heiß bzw. feucht ist oder das Objekt sich im Raum bewegt.

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Laser misst Vibrationen

Ein jetzt vom israelischen Unternehmen VocalZoom gemeinsam mit AMS Technologies vorgestellter optischer Sensor erlaubt die präzise, berührungslose Messung von Vibration (genauer Position und Geschwindigkeit) aus einer Distanz von bis zu drei Metern. Eine einzelne Maschine lässt sich so auch problemlos mit mehreren Sensoren an unterschiedlichen Stellen überwachen, ohne aufwändige und teure Verkabelung.

Basis des Messverfahrens ist eine selbstmischende Laserdiode (Self-Mixing Laser-Diode, SMLD), in deren Cavity das ausgesendete Laserlicht mit Reflektionen vom Messobjekt interferiert (siehe Kasten). Mit dieser Technik lässt sich ein Interferometer realisieren, in welchem hochgenaue Messtechnik diese Interferenzen über die Leistungsaufnahme der Laserdiode erfasst und mithilfe von ausgefeilter Signalverarbeitung in einem speziellen ASIC das Nutzsignal (Geschwindigkeit und Abstand) extrahiert. Am Sensorausgang liegen somit diese Nutzdaten bereits direkt an und werden über eine HDMI- bzw. USB-Verbindung an einen PC für die Weiterverarbeitung übertragen.

Für die Applikation des nur 15 mm × 6 mm großen VocalZoom-Sensors sind Stillstandzeiten für die Sensormontage ebenso wenig nötig wie zertifizierte Maschinentechniker. Weil der Sensor berührungslos arbeitet, kann er zudem jede Oberfläche und jedes Material vermessen – auch sehr kleine, unzugängliche oder sich bewegende Ziele sowie heiße oder nasse Oberflächen. Somit ist der Sensor eine schnelle und einfache Lösung, Predictive Maintenance für den riesigen bestehenden Maschinen- und Anlagenpark in allen denkbaren Industriezweigen zu realisieren. Für die effiziente Überwachung großer Areale lässt sich der Sensor zudem an einem Roboter oder einer Drohne montieren und sequenziell auf viele Ziele ausrichten. Mit dem VocalZoom-Sensor lassen sich Vibrationsfrequenzen bis 6 kHz ebenso erfassen wie sehr langsame Schwingungsvorgänge in einem ultraniedrigen Frequenzbereich. Zudem ist das Interferometer unempfindlich gegen Umgebungs- und Hintergrundlicht oder -rauschen.

Einfacher Einstieg

Für einfache und schnelle Tests der neuen Technik stellt AMS Technologies ein VocalZoom Evaluation Kit bereit. Hier ist der Sensor für einfacheres Handling in einem geschlossenen Gehäuse untergebracht, das über eine Standard-Stativbuchse (1/4“ UNC) verfügt und so die Montage der Einheit an einer Vielzahl handelsüblicher Stative und Halterungen erlaubt. Ein 150 cm langes Micro-HDMI-Kabel verbindet das Sensorgehäuse mit der Schnittstelleneinheit, die ihrerseits eine USB-Schnittstelle zu einem PC bereitstellt. Im Lieferumfang des EVK ist zudem eine Software enthalten, mit welcher sich auf dem PC die Daten des Sensors (Geschwindigkeit und Entfernung) erfassen, anzeigen, analysieren und abspeichern lassen. Auf Anfrage bietet AMS Technologies auch kundenspezifische Systeme auf Basis des Sensors, inklusive Gehäuse- und Befestigungslösungen, elektronischer Komponenten und Schnittstellen nach Kundenvorgaben.