Optische Messtechnik / Messtaster
Was sind Wegmesssensoren und Systeme zur Dimensionsmessung?
Wichtige Punkte im Überblick
- Wegmesssensoren messen Abstände relativ zu einer Referenzposition und erfassen geometrische Größen wie Höhe, Breite und Dicke.
- Es wird zwischen berührungslosen Messverfahren (optisch, Wirbelstrom, Ultraschall, Laser) und kontaktbasierten Messverfahren unterschieden.
- Laser-Wegmesssensoren arbeiten nach dem Prinzip der Triangulation oder der Laufzeitmessung (ToF). Konfokale Sensoren eignen sich für hochpräzise Anwendungen.
- Die Sensorauswahl erfolgt anhand von Messgenauigkeit, Messabstand und Umgebungsbedingungen.
- Einsatz in Automobilindustrie, Elektronikfertigung, Robotik, Intralogistik und Bauwesen zur Qualitätsprüfung.
Ein Wegmesssensor dient zur Erfassung des Abstandes eines Objekts relativ zu einer definierten Referenzposition. Neben der reinen Abstandsmessung lassen sich mit Wegmesssensoren auch geometrische Größen wie Höhe, Dicke und Breite eines Objekts bestimmen.
Für zuverlässige Messergebnisse ist es erforderlich, das geeignete Messsystem entsprechend der jeweiligen Anwendung, der geforderten Messgenauigkeit und den Umgebungsbedingungen auszuwählen. Grundsätzlich lassen sich Messungen mit Wegmesssensoren in zwei Hauptkategorien einteilen: berührungslose Messverfahren, die auf Licht, Magnetfeldern oder Schallwellen basieren, sowie kontaktbasierte Messverfahren mit direktem Kontakt zum Messobjekt.
Die jeweiligen Messprinzipien und ihre charakteristischen Eigenschaften werden im Folgenden erläutert.
| Merkmale | Berührungslose Messverfahren | Kontaktbasiertes Messverfahren | |||
|---|---|---|---|---|---|
| Optisches Messprinzip | Wirbelstrom-Messprinzip | Ultraschall-Messprinzip | Laserfokus-Messprinzip | ||
| Erfassbare Messobjekte | Die meisten Objekte | Metall | Die meisten Objekte | Die meisten Objekte | Feste Körper |
| Messabstand | Mittel | Klein | Groß | Klein | Klein |
| Messgenauigkeit | Hoch | Hoch | Niedrig | Hoch | Hoch |
| Ansprechgeschwindigkeit | Schnell | Schnell | Langsam | Mittel | Langsam |
| Beständigkeit gegen Staub, Wasser, Öl usw. | Mittel | Hoch | Mittel | Mittel | Hoch |
| Messoberfläche | Klein | Mittel | Groß | Klein | Klein |
Verschiedene Anwendungsbereiche
Wegmesssensoren werden für eine Vielzahl unterschiedlicher Messaufgaben eingesetzt. Nachfolgend sind einige typische Beispiele aufgeführt.
| Messaufgabe | Anwendungsbeispiel |
|---|---|
| Dicke | Messung, ob die Dicke gewalzter Stahlbleche gleichmäßig ist oder ob die Dicke von Verbundglas innerhalb der vorgegebenen Toleranzen liegt. |
| Höhe und Stufe | Vermessung der Bauteilhöhe ausgerichteter Leiterplatten (PCBs) sowie Detektion unzulässiger Höhenstufen und Versätze an montierten Halbleiterbauelementen. |
| Außendurchmesser | Berührungslose Erfassung des Außendurchmessers seriengefertigter zylindrischer Bauteile zur Beurteilung der Maßhaltigkeit im Produktionsprozess. |
| Verzug und Ebenheit | Prüfung von Glassubstraten auf Verzug sowie Bewertung der Ebenheit polierter Metalloberflächen zur Sicherstellung der Formgenauigkeit. |
| Hub und Positionierung | Erfassung des Verfahrwegs eines Kameramoduls sowie Kontrolle, ob ein Bauteil innerhalb einer Maschine die vorgesehene Position erreicht hat. |
| 3D-Form | Flächige Erfassung von Verzug und Formabweichungen auf ebenen Oberflächen in mehreren Richtungen, anstatt nur entlang einer einzelnen Messlinie. |
Reflexionsmodelle Reflexionslichttaster/Näherungsschalter
Reflexionslichttaster/Näherungsschalter bestehen aus einem Sender (Licht-/Infrarotquelle) und einem Empfänger; sie detektieren Licht, das vom Zielobjekt zum Empfänger zurückreflektiert wird. Die Auswertung basiert auf der gemessenen Empfangsintensität oder auf zeitlichen Merkmalen des zurücklaufenden Signals und liefert ein Schaltsignal bei Überschreiten vordefinierter Schwellenwerte.
Vorhanden
Nicht vorhanden
Reflexionsmodelle Wegmesssensor
Laser-Wegmesssensoren senden ein Signal aus und bestimmen die Distanz durch Analyse des reflektierten Signals. Messgrößen sind Empfangsintensität, Laufzeit und Phasenverschiebung. Sie liefern Informationen über Abstand zum Referenzpunkt und Position entlang der Messachse.
Klein
Groß
Weit
Nah
Durchlichtmodelle Reflexionslichttaster/Näherungsschalter
Reflexionslichttaster/Näherungsschalter bestehen aus einem Sender und einem gegenüberliegenden Empfänger; ein unterbrochener Lichtstrahl (Transmission) wird als Schaltbedingung genutzt. Der Empfänger registriert die Anwesenheit eines Objekts als Unterbrechung oder Abschwächung des Lichtsignals und erzeugt daraufhin ein Schaltsignal.
Vorhanden
Nicht vorhanden
Durchlichtmodelle Lichtbandmikrometer
Lichtbandmikrometer nutzen ein Lichtband oder ein moduliertes Signal, das durch einen definierten Messraum verläuft; die Analyse der Signalabschwächung oder zeitlichen Eigenschaften entlang der Durchgangsstrecke dient zur Distanzbestimmung. Anwendungsseitig liefern Lichtbandmikrometer Informationen über Abstand (Abstand zum Referenzpunkt) und Position (Lage eines Objekts entlang der Messachse) innerhalb des definierten Messbereichs.
Klein
Groß
In der Mitte platziert
Nahe der Oberkante
Arten von Wegmesssensoren
Es gibt unterschiedliche Bauformen und Messprinzipien von Wegmesssensoren. Während viele Sensortypen ein breites Anwendungsspektrum abdecken, sind andere gezielt für spezifische Messaufgaben ausgelegt.
Induktive Wegmesssensoren
Induktive Wegmesssensoren erfassen Änderungen in den von ihnen erzeugten elektromagnetischen Feldern, sobald sie sich einem metallischen Objekt nähern.
Kontaktbasierte Wegmesssensoren
Bei kontaktbasierten Wegmesssensoren wird die mechanische Bewegung einer Messspitze direkt erfasst, dies erfolgt typischerweise über Lichtschranken, CMOS-Detektoren oder Encoder.
Laser-Wegmesssensoren
Laser-Wegmesssensoren ermöglichen die berührungslose Erfassung von Wegänderungen sowie daraus abgeleiteter geometrischer Größen an unterschiedlichsten Materialien. Sie eignen sich auch für Messungen an transparenten Objekten.
Laser-Profilsensoren
Laser-Profilsensoren erfassen die Höhe oder den Abstand entlang einer projizierten Laserlinie und erzeugen daraus zweidimensionale oder dreidimensionale Höhen- und Oberflächenprofile des Messobjekts.
Zu den gängigen Laser-Profilsensoren gehören:
- Triangulationssensoren
- Die Messung erfolgt über den Winkel des reflektierten Laserstrahls (Triangulation).
- Laufzeitmesssensoren (Time-of-Flight)
- Diese Sensoren berechnen den Weg aus der Zeit, die ein Laserimpuls für den Hin- und Rückweg zum Messobjekt benötigt.
- Konfokale Sensoren
- Diese erfassen die Intensität des reflektierten Lichts, um daraus den Abstand beziehungsweise die Wegänderung zu bestimmen.
Wie funktionieren Laser-Wegmesssensoren?
Wie wird der Weg gemessen? Zur Bestimmung von Weg- oder Abstandsänderungen senden Laser-Wegmesssensoren einen Laserstrahl auf die Oberfläche des Messobjekts und werten die reflektierten Signale entsprechend dem jeweiligen Messprinzip aus.
Laser-Triangulationssensoren ermitteln den Weg anhand des Einfallswinkels des zurückgeworfenen Laserlichts. Dieser Winkel wird analysiert und zur Berechnung der Positionsänderung herangezogen.
Laser-Wegmesssensoren nach dem Laufzeitprinzip (Time-of-Flight) bestimmen den Abstand, indem sie die Zeit messen, die ein ausgesendeter Lichtimpuls für den Hin- und Rückweg zum Messobjekt benötigt. Unter Verwendung der Lichtgeschwindigkeit wird daraus die Distanz berechnet.
Konfokale Sensoren werten hingegen die Wellenlänge des reflektierten Lichts aus, die sich in Abhängigkeit vom Abstand verändert, und leiten daraus die Wegänderung ab.
Alle genannten Messverfahren liefern vergleichbare Messergebnisse mit sehr hoher Präzision, unterscheiden sich jedoch in ihrem physikalischen Wirkprinzip und damit in ihren bevorzugten Einsatzbereichen in unterschiedlichen Industriezweigen.
Maßeinheiten der Wegmessung
Die verwendeten Maßeinheiten für Wegmessungen richten sich nach der jeweiligen Anwendung sowie nach den Anforderungen an die Messgenauigkeit. In industriellen Standardanwendungen werden überwiegend Millimeter oder Zoll als Maßeinheit eingesetzt.
Für besonders präzise Messaufgaben – beispielsweise bei der Positionierung von Bauteilen in der Halbleiterfertigung – können Messungen im Mikrometer- oder sogar Nanometerbereich erforderlich sein.
Die Wahl der geeigneten Maßeinheit stellt somit einen wesentlichen Faktor bei der Auswahl eines Laser-Wegmesssensoren dar, da sie direkten Einfluss auf die Eignung des Sensors für die jeweilige Anwendung hat.
Wie werden Laser-Wegmesssensoren eingesetzt?
Laser-Wegmesssensoren finden aufgrund ihrer hohen Messgenauigkeit, die häufig im einstelligen Mikrometerbereich liegt, ihrer Zuverlässigkeit sowie ihrer berührungslosen Messmethode ein breites Einsatzspektrum in industriellen Anwendungen. Durch die kontaktlose Erfassung eignen sie sich auch für die präzise Vermessung empfindlicher oder leicht verformbarer Bauteile.
Typische Anwendungsbereiche:
Automobilindustrie: Qualitätskontrolle zur Sicherstellung, dass Bauteile innerhalb der vorgegebenen Toleranzen gefertigt werden.
Elektronikfertigung: Messung der Waferdicke und Überprüfung der Bauteilpositionierung auf Leiterplatten.
Robotik: Präzise Positionsüberwachung von Greif- und Bewegungssystemen.
Materialtransport und Logistik: Objekterkennung und Dimensionsprüfung von Bauteilen.
Bauwesen: Überwachung von Strukturveränderungen oder Verformungen an Bauteilen.
Das breite Einsatzspektrum in unterschiedlichen Branchen unterstreicht die Vielseitigkeit von Laser-Wegmesssensoren und ihre Bedeutung für hochpräzise Weg- und Positionsmessungen.
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In diesem Leitfaden zeigen wir Ihnen wie Sie Ihre Messaufgabe in folgenden Einsatzgebieten lösen: Dicke, Breite, Höhe/Stufe, Außendurchmesser, Hub, Schwingungen/Vibrationen, Rundlauf, Wölbung/Ebenheit, Winkel, Abstand/Spaltmaß, Kantenpositionen, Radius/ Innendurchmesser, Position, Profil und 3D-Form.
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