Wir wollen uns jetzt einer Gruppe von Abstandssensoren zuwenden, deren typische Messbereiche oberhalb der Messbereiche der bisher aufgeführten Sensoren liegen. Sie befinden sich je nach Sensortyp im Bereich weniger cm bis zu mehreren 100 m.

Als erster Vertreter sei der Ultraschallsensor gemäß Bild 98 aufgeführt. Bei ihm wird mittels eines Ultraschallwandlers ein kurzer Ultraschallimpuls ausgesandt, der nach Reflexion von einer gegenüber liegenden Messoberfläche wieder empfangen wird. Heutige Wandler sind typischerweise zugleich Sender und Empfänger. In einer nachgeschalteten Elektronik wird die Laufzeit t des Impulses gemäß

(Formel 181)

ermittelt. vS ist hierbei die Schallgeschwindigkeit (in Luft bei 0 °C etwa 331,5 m/s).

Bild 98: Ultraschallsensor

Nach analogem Prinzip arbeitet der Lasersensor, wie er in Bild 99 mit seinem Funktionsprinzip gezeigt ist. Statt Ultraschall wird aus einer Laserdiode stammendes und mit einer Linse gebündeltes Laserlicht verwendet. Die Laufzeit t muss nunmehr auf Basis der Lichtgeschwindigkeit c (in Luft knapp 3·108  m/s) kalkuliert werden:

(Formel 182)
Bild 99: Lasersensor

Lasersensoren sind deshalb technologisch deutlicher aufwendiger und teurer. Umgekehrt können damit auch extrem kleine Abstandsänderungen bis weit unter 1 μm noch präzise aufgelöst werden. Die Auswertung kann bei entsprechend schneller Elektronik direkt über eine Zeitmessung erfolgen (Pulslaufzeitmessung). Oder, und dies ist der häufigere Fall, über Ausstrahlung eines periodisch mit auf- und abschwellender Frequenz modulierten Lichtsignals, das mit einer mit t korrelierenden Phasenverschiebung wieder empfangen wird. Durch Messung dieser Phasenverschiebung, was technisch etwas einfacher als die direkte Laufzeitmessung ist, kann auf t und damit x zurückgeschlossen werden.

Der dritte nach dem Laufzeitverfahren arbeitende Abstandssensor verwendet Radarsignale (Bild 100). Für die Laufzeit t gilt folglich ebenfalls (182). Auch hier gibt es beide Realisierungsvarianten: die direkte Pulslaufzeitmessung sowie das sog. FMCW-Radar (Frequency Modulated Continous Wave). Bei letzterem wird kontinuierlich ein Sinussignal ausgesandt, dessen Frequenz sägezahnförmig moduliert wird. Das Empfangssignal wird nun mit dem Sendesignal gemischt, genauso wie das bei der Mischstufe eines Spektrumanalysators bereits diskutiert wurde. Für die weitere Auswertung wird die dabei entstehende Differenzfrequenz ausgewertet, die proportional zur Laufzeit t und damit auch dem Messobjektabstand x ist.

Bild 100: Radarsensor

Radarsensoren sind ebenfalls aufwendiger und teurer als Ultraschallsensoren bei jedoch erhöhter Messauflösung. Gemeinsam ist beiden, dass immer eine gewisse Sendesignalkeule zur Aussendung gelangt, die sich dreidimensional mit zunehmender Entfernung vom Aussendeort zunächst verbreitert, ehe sie aufgrund der Signaldämpfung dann wieder enger wird und schließlich endet. Dies bedeutet, dass das Messobjekt nicht an einem Punkt wie beim Lasersensor nur fokussiert wird, sondern im Prinzip jede entsprechend ausgerichtete Oberfläche innerhalb der Sendekeule zur Reflexion geeignet ist. Bei komplexeren Anwendungen, wo es auch zu Mehrfachreflexionen durch mehrere Objekte im Keulenbereich kommen kann, muss z.B. durch eine nachgeschaltete Signalverarbeitung das Mischsignal genauer interpretiert werden.

Ein letzter Vertreter in dieser Sensorgruppe arbeitet auch mit Laser, jedoch basiert dieser auf einem aus der Geodäsie bekannten geometrischen Prinzip, der sog. Triangulation. Bild 101 zeigt das Prinzip. Ein über eine Laserdiode erzeugter Laserstrahl wird nach Bündelung in einer Linse senkrecht auf die Messobjektoberfläche gerichtet. Voraussetzung für die weitere Funktion ist nunmehr, dass es sich nicht um eine glatte, spiegelnde Oberfläche handelt. Vielmehr ist essentiell, dass die Oberfläche eine gewisse Struktur aufweist, so dass entsprechende Streuungen nach allen Seiten erfolgen und der generierte Lichtpunkt auch seitlich zu sehen ist. Zunächst ungeeignete Oberflächen können jedoch durch Aufkleben z.B. eines entsprechenden Folienstücks entsprechend präpariert werden. Innerhalb des Sensorgehäuses befindet sich eine weitere Linse, über die der Lichtpunkt auf eine bestimmte Position eines Empfangsdetektors abgebildet wird. In Abhängigkeit vom Messobjektabstand x befindet sich der Bildpunkt an unterschiedlicher Stelle im Detektor. Über entsprechende geometrische Beziehungen kann dann aus der Bildpunktposition auf x zurückgerechnet werden. Die Zusammenhänge sind nichtlinear. Der Detektor wird entweder als Position Sensitive Detector (PSD) ausgeführt. PSD arbeiten auf Basis sog. PIN-Dioden (Positive Intrinsic Negative Diode) und werden mit analogen Schaltungsprinzipien angesteuert. Oder es werden CCD-Zeilensensoren (Charge Coupled Device) eingesetzt. Diese Elemente sind pixelorientiert aufgebaut und erlauben direkt das Auslesen einzelner Pixelpositionen.

Bild 101: Triangulationssensor

In Sonderanwendungen gibt es auch Triangulationsanordnungen, bei denen Sender und Empfänger räumlich getrennt sind. Speziell bei spiegelnden Oberflächen, die durch Aufkleben eines Folienstücks nicht angepasst werden dürfen, bietet sich eine solche alternative Anordnung an.

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