Sensorik & Aktorik Wahlpflichtfach Studienrichtung Antriebe & Automation

Transkript

1 Sensorik & Aktorik Wahlpflichtfach Studienrichtung Antriebe & Automation - Positionsmessung (2) - Prof. Dr. Ulrich Hahn SS 2010

2 Lasertriangulation Triangulation: Entfernungsbestimmung über Dreiecksbeziehungen Laser beleuchtet Messobjekt Lichtfleck wird auf PSD abgebildet Dreiecksbestimmung über "Seite -Winkel-Winkel" Basis: senkrecht zur Richtung des Laserlichtes durch das Linsenzentrum rechter Winkel zwischen Basis und Laserlichtrichtung Lage des Bildpunktes auf PSD Winkel zwischen Basis und Strecke Linsenzentrum - Lichtfleck Positionsmessung 2

3 Empfindlichkeit abhängig von Basislänge PSD-Größe Brennweite Objektiv Auflösung PSD Lasertriangulation Laser und Kamera meist in einem Gehäuse integriert Basis fest Messbereich abhängig von Basislänge PSD-Größe Brennweite Objektiv Positionsmessung 3

4 PSD (Positionsempfindlicher Detektor) N Ladungen teilen sich auf die Elektroden A und B auf Teilladungen sind abhängig vom Ort der Erzeugung: N A ~ s, N B ~ L s Störungen kompensieren Asymmetrie A bestimmen A:= N N A A + N N B B =1 2 s L einfache Auswertung der Signale, keine "Bildverarbeitung" Positionsmessung 4

5 PSD - Varianten segmentierter PSD: Elektroden sind durch Isolator getrennt Schwerpunkte ausgedehnter Lichtverteilung bestimmen 2-dimensionale Position (lateral oder segmentiert) Positionsmessung 5

6 Anwendungen Lasertriangulation Messabstände: 10 cm 100 m (quasi)statische Messungen: Werkzeugmaschinen Maßhaltigkeit Bauwesen Füllstand von Behältern Druck (Verformung) Elektronikfertigung: Höhe von Lötpunkten dynamische Messungen: Geschwindigkeiten Vibrationen (Lautsprecher, Mikrofon) Geschwindigkeit, Beschleunigung Positionsmessung 6

7 Anwendungen Lasertriangulation Positionsmessung 7

8 Positionsbestimmung durch Abzählen inkrementale Weg- oder Winkelmessung Position relativ zum Referenzpunkt durch Impulszählung nach Einschalten muss Referenzpunkt angefahren werden Richtungserkennung durch Phasenverschiebung Auswertung der Signalflanken: Steigerung der Auflösung Positionsmessung 8

9 inkrementale Wegmessung Richtungserkennung und Steigerung der Auflösung Positionsmessung 9

10 absolute Positionskodierung jede Position auf dem Maßstab wird absolut kodiert binäre Kodierung Zahl der Bits abhängig von Länge der zu kodierenden Strecke Auflösung Positionsmessung 10

11 absolute Positionskodierung Problem: Synchronisation der Bit-Übergänge Abhilfe: V-Abtastung höherwertiger Bits Abweichungen im LSB-Bereich Positionsmessung 11

12 absolute Positionskodierung mit Gray-Code benachbarte Zahlen unterscheiden sich immer in einem Bit geringere Fehleranfälligkeit gegenüber Binärcode Positionsmessung 12

13 absolute Positionskodierung (große Wege) Positionsmessung 13

14 Abbildungsfehler sphärische Aberration Koma Positionsmessung 14

15 Abstandsmessung über die Lichtlaufzeit Vakuumlichtgeschwindigkeit c 0 ist endlich ( m/s, Festlegung auf exakten Wert) zum Durchlaufen einer Strecke l wird eine Zeit t benötigt Messung in Reflexion (Retroreflektor): t = 2 n l c 0 Medium Luft =1, ± 0, n Luft l = 10m => t = 66,73 0 C, 1013 hpa, trockene Luft! l = 1mm, n 0 => t = 6,673 ps!! Positionsmessung 15

16 Abstandsmessung über die Lichtlaufzeit Abhilfen: Modulation der Lichtintensität mit variabler Frequenz Vergleich von aktuell gesendeter und empfangener Modulationsfrequenz f max ω f min t z. B. Sägezahnprofil, Periodendauer T >> t Lichtlaufzeit Positionsmessung 16

17 Abstandsmessung über die Lichtlaufzeit Modulation der Lichtintensität mit konstanter Frequenz Auswertung der Phasenverschiebung ϕ zwischen gesendetem und empfangenem Signal 1,5 Auslenkung --> 1 0,5 0-0,5-1 X_1 X_2 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 2 l ϕ = ω c -1,5 ωt/ π --> Überlagerung von gesendetem und empfangenem Signal: resultierende Amplitude hängt von ϕ ab Eindeutigkeit: 0 # ϕ# π Positionsmessung 17

18 Abstandsmessung über die Lichtlaufzeit Heterodyne-Verfahren Reduktion der Modulationsfrequenz durch Signalmischung, Erhalt der relativen Phase Positionsmessung 18

19 Interferometer Grundprinzip: Überlagerung von Wellenzügen bewirkt konstruktive/ destruktive Interferenz f Licht Phasenverschiebung 0... π/2 und 3π/2... 2p: konstruktiv Phasenverschiebung π/2... π: destruktiv Licht ca Hz nur zeitliches Mittel sichtbar! 14 Hz Interferenz bei Lichtwellen nur beobachtbar, wenn Wellenzüge einer Quelle aufgeteilt werden Wellenzüge unterschiedliche Lichtwege nehmen die Lichtwege sich höchstens um die Kohärenzlänge unterscheiden Positionsmessung 19

20 Interferometer Kohärenzlängen: weißes Licht 1,5 µm Spektrallampe (300K) 0,2 m Spektrallampe (100K) 0,8 m GaAs Laserdiode 150 m HeNe-Laser 1500 m Michelson-Interfereometer Positionsmessung 20