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Sicherheitstechnik / Sensorik

Qualitätsüberwachung und der Wunsch nach absoluter Sicherheit haben bereits heute zahlreichen Sensoren Einzug in unser Leben ermöglicht. Optische Technologien spielen dabei eine zunehmend wichtige Rolle, weil sie die Vorteile kleiner Bauform, günstiger Herstellkosten, schneller Messgeschwindigkeit, hoher Präzision und Zuverlässigkeit sowie einer berührungslosen Messung über teils große Distanzen hinweg, in sich vereinen.

Positionsbestimmung

Wenn es darum geht, den Schwerpunkt eines Lichtpunktes zu ermitteln, ist ein PSD (Positionsempfindlicher Sensor) die erste Wahl.

Positionserkennung

Wenn es darum geht, den Schwerpunkt eines Lichtpunktes zu ermitteln, ist ein PSD (Positionsempfindlicher Sensor) die erste Wahl. PSDs arbeiten örtlich analog; sie werten den Strom aus, der von einer Fotodiode erzeugt wird und sich in eine oder zwei resistive Schichten aufteilt. Die Vorteile dieser einfachen Bauweise sind Stabilität und Zuverlässigkeit. Die für die Verarbeitung des analogen Ausgangssignals benötigte Elektronik ist relativ simpel und lässt sich kostengünstig aufbauen.

Unübertroffene Geschwindigkeit und Auflösung
Ein PSD ermittelt allein die Position des Schwerpunkts des auftreffenden Lichtpunktes. Das tut er allerdings innerhalb von Nanosekunden und mit Sub-Nanometer-Auflösung. Er erreicht dabei eine Messtoleranz von etwa 0,1%. Der Dynamikbereich der Lichtintensität erstreckt sich über mehrere Dekaden. Die Genauigkeit lässt sich noch wesentlich erhöhen, wenn Referenzpunkte in einer Wertetabelle abgespeichert werden. Normalerweise erzeugen die in Verbindung mit dem Sensor verwendeten optischen Komponenten Messwertverfälschungen; wenn diese aber in die Wertetabelle eingearbeitet werden, lassen sich die Fehler weitgehend kompensieren. Da der PSD die Positionsinformation aus den Photoströmen der Dioden gewinnt, lassen sich hier Betriebsweisen wie bei normalen Photodioden anwenden - etwa eine Modulation des Lichtes, um Störungen durch Fremdlicht zu eliminieren. PSDs lassen sich in beliebigen Bauformen herstellen. Einige ungewöhnliche Ausführungen sind z. B. helixförmige, kreisrunde oder sphärische für 2D- und 3D-Winkelmessungen. Für einige Anwendungen (z. B. Oberflächen-Untersuchungen) wurden ganze Arrays von PSDs entwickelt.

Vielfältige Anwendungen für PSDs
Beispiele für Anwendungen sind etwa Ausrichtungs- Systeme, wo die Position eines Referenz-Laserstrahls relativ zum PSD gemessen wird. Dieses Prinzip wird in den verschiedensten Bereichen genutzt - vom Brückenbau bis zu optischen Bänken. Da PSDs so hergestellt werden können, dass sie auch bei sehr tiefen Temperaturen arbeiten (etwa bei flüssigem Stickstoff), wird diese Ausrichtungsmethode auch in der Infrarotoptik angewendet, wo die Infrarotstrahlung vom PSD minimal gehalten werden muss. Ein Schwachpunkt der PSDs besteht darin, dass sie nicht zwischen einem direkten und einem reflektierten Strahl unterscheiden können. Wenn zwei Lichtpunkte auffallen, geben sie den Schwerpunkt zwischen beiden als Messwert aus.
In Verbindung mit einer ausgeklügelten Signalverarbeitung - etwa optische Filterung und synchrone Detektion - lösen PSD jetzt einige bisher für unlösbar gehaltene Messaufgaben - etwa die Veränderung der glühenden Oberfläche von flüssigem Eisen oder Messungen innerhalb einer Schweißflamme. Daneben werden sich PSDs in Anwendungen bewähren, wo Bewegungen von mechanischen Teilen ohne Berührung oder Belastung erfasst werden müssen. Beispiele sind etwa die Bewegung von Membranen in Mikrofonen, Lautsprechern und Drucksensoren oder von optischen Fasern in Wind- oder Beschleunigungssensoren. Auch für Füllstandsmessungen in Treibstofftanks lassen sie sich einsetzen. Mit einer einfachen analogen Schaltung erreichen sie Auflösungen bis in den Sub-Nanometer-Bereich.

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