Abstandssensoren für Industrie und Automobil

| Autor / Redakteur: Jörg Böttcher * / Hendrik Härter

Abstandssensoren im Fahrzeug: Die Sensoren warnen den Fahrer vor Hindernissen und Gefahren. Doch wie funktionieren Abstandssensoren?
Abstandssensoren im Fahrzeug: Die Sensoren warnen den Fahrer vor Hindernissen und Gefahren. Doch wie funktionieren Abstandssensoren? (Bild: Volkswagen)

Ob kleinste Distanzen oder bis zu vielen Metern: Abstände in Industrie und Automobil werden mit Abstandssensoren ermittelt. Die Sensoren verwenden verschiedene Messverfahren. Ein Überblick.

Für das Messen relativ kleiner Abstände ab etwa einem Mikrometer bis zu mehreren Millimeter in der Industrie haben sich kapazitive und induktive Sensorprinzipien in großer Stückzahl am Markt etabliert. Zwei mögliche Grundbauformen kapazitiver Abstandssensoren zeigt das Bild 1. Die kapazitiven Verfahren basieren dabei auf der Änderung der Kapazität infolge einer Änderung der Geometrie des Kondensators.

Im Falle des meist herangezogenen Plattenkondensators ist die Kapazität C gemäß C = (εrε0) * (A/d) (Formel 1) von der effektiv wirksamen Plattenfläche A (der Fläche, mit der sich die beiden Platten gegenüber in Deckung befinden) und dem Plattenabstand d abhängig. ε0 ist hierbei die elektrische Feldkonstante mit ε0 ≈ 8,854 x 10-12C/Vm (Formel 2) und εr die Dielektrizitätszahl des Dielektrikums zwischen den Platten.

Das Dielektrikum ist bei Abstandssensoren typischerweise Luft. Deshalb lässt sich εr ≈ 1 (Formel 3) hierfür ansetzen: Bei Variante a ändert sich der Plattenabstand d, was somit einen nichtlinearen Zusammenhang aufweist. Variante b deutet an, dass eine Plattenfläche auch aus einer elektrisch leitenden Oberfläche wie eines Teils einer Maschine bestehen kann, zu der der Abstand dann berührungslos gemessen werden kann. In diesem Fall muss die Oberfläche geerdet sein, was bei Maschinen aus Sicherheitsgründen stets der Fall ist. Die nachgeschaltete Messelektronik misst dann die Kapazität zwischen der beweglichen Platte, die den eigentlichen Sensorkopf darstellt, und der Erde.

Der Wirbelstromsensor als induktives Verfahren

Die Variante a in Bild 2 stellt eine der möglichen induktiven Aufbauvarianten vor. Die Induktivität der Spule berechnet sich dabei nach der Formel L = N²/Rm (Formel 4). In der Formel bedeuten N die Anzahl der Windungen und Rm ist der magnetische Widerstand des Raumes, den die Feldlinien innerhalb und außerhalb der Spulenwicklung durchdringen. Da der Magnetkern beweglich in das Spuleninnere ein- bzw. ausgeschoben werden kann, lässt sich der magnetische Widerstand im Spuleninneren signifikant ändern. Die Induktivität L wird sich also in Abhängigkeit der eingezeichneten Strecke x ändern. Durch Anbringung des Magnetkerns beispielsweise über eine Führungsstange an einem entsprechenden Messobjekt wird dessen Abstand zur Spule gemessen. Der Magnetkern in einer solchen Anordnung wird auch als Tauchanker bezeichnet.

Das Verfahren gemäß b gibt eine Wechselspannung als Messsignal aus. Hierzu wird zusätzlich eine Primärspule eingebracht, die bei der im Bild gezeichneten Ausführung beispielsweise innen liegt und zweigeteilt ist. An diese Primärspule wird eine Wechselspannung UP zur Versorgung angeschaltet. Nach dem Transformatorprinzip erfolgt eine Übertragung jeweils der Hälfte von UP auf die beiden Sekundärspulen, wobei der jeweilige Übertragungsfaktor von der Position des Magnetkerns abhängt. Im Bild wird dieser über eine Führungsstange von außen bewegt. Die Kopplung ist in beiden Hälften gegensinnig, so dass sich die Sekundärspannungen US1 und US2 ebenfalls gegensinnig ändern.

Das Prinzip des Wirbelstromsensors

Typischerweise wird die Differenz dieser beiden Spannungen dann ausgewertet, was ein Signal ergibt, das bei Mittelstellung des Magnetkerns 0 ist. Sensoren nach diesem Prinzip nennen sich etwas kompliziert LVDT = Linearer-Variabler-Differential-Transformator. Formal zu den induktiven Sensoren, jedoch mit einem anderen Wirkprinzip, gehört der in Bild 2 als Variante c aufgeführte Wirbelstromsensor. Bei ihm erzeugt eine Spule ein Magnetfeld, dessen magnetische Flussdichte B an einem Oberflächenpunkt einer gegenüber liegenden Messobjektoberfläche wirkt.

Eine wesentliche Voraussetzung für die Funktion ist, dass diese Oberfläche elektrisch leitfähig ist, also aus einem Metall besteht. In diesem Fall wird entsprechend der sogenannten Lenzschen Regel durch B ein im Kreis fließender Wirbelstrom iW in der Oberfläche induziert, der selbst ein B entgegen gerichtetes Magnetfeld BW aufbaut. B wird dadurch geschwächt, was zu einer Induktivitätssenkung führt.

Ultraschallsensor ist ein Abstandssensor

Bild 3: Der Ultraschallsensor arbeitet nach dem Laufzeitprinzip, wie er 
beispielsweise in Einparksystemen verwendet wird.
Bild 3: Der Ultraschallsensor arbeitet nach dem Laufzeitprinzip, wie er 
beispielsweise in Einparksystemen verwendet wird. (Bild: Prof. Böttcher)

Als erster Vertreter einer Familie von Abstandssensoren, die nach dem Laufzeitprinzip arbeiten, sei der Ultraschallsensor gemäß Bild 3 aufgeführt, wie er bei Einparksystemen im Kfz verwendet wird. 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 ermittelt. Der Parameter vS ist in der Formel die Schallgeschwindigkeit. Sie beträgt in Luft bei 0 °C etwa 331,5 m/s.

Nach analogem Prinzip arbeitet der in anspruchsvolleren industriellen Anwendungen eingesetzte Lasersensor. 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 x 108 m/s) kalkuliert werden. 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.

Radarssensoren im Fahrzeug

Der dritte nach dem Laufzeitverfahren arbeitende Abstandssensor verwendet Radarsignale. Einsatz findet dieser in Abstandsregelsystemen bei Fahrzeugen (wenngleich hier oftmals weiterentwickelte Versionen mit Mehrsegmentmessung verbaut sind). Für die Laufzeit t gilt folglich ebenfalls t = (2/vs) * x (Formel 5). Auch hier gibt es beide Realisierungsvarianten: die direkte Pulslaufzeitmessung sowie das FMCW-Radar (Frequency Modulated Continous Wave). Bei letzterem wird kontinuierlich ein Sinussignal ausgesandt, dessen Frequenz sägezahnförmig moduliert wird. Das Empfangssignal wird mit dem Sendesignal gemischt. Für die weitere Auswertung wird die dabei entstehende Differenzfrequenz ausgewertet, die proportional zur Laufzeit t und damit auch dem Messobjektabstand x ist.

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 durch eine nachgeschaltete Signalverarbeitung das Mischsignal genauer interpretiert werden.

Das Laser-Triangulations-Prinzip in der Automatisierung

Bild 4: Das Prinzip der Laser-Triangulation wird in der industriellen Automatisierung verwendet.
Bild 4: Das Prinzip der Laser-Triangulation wird in der industriellen Automatisierung verwendet. (Bild: Prof. Böttcher)

Ein insbesondere in der industriellen Automatisierung eingesetzter Abstandssensortyp arbeitet auch mit Laser, jedoch basiert dieser auf einem aus der Geodäsie bekannten geometrischen Prinzip, der Triangulation (Bild 4). Ein über eine Laserdiode erzeugter Laserstrahl wird nach Bündelung in einer Linse senkrecht auf die Messobjektoberfläche gerichtet. Voraussetzung für die weitere Funktion ist, 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 durch Aufkleben 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 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 sogenannter 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. 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.

Lidar und der Einsatz beim autonomen Fahren

Bild 5: Systeme, die ihre Umgebung mit einem Laserstrahl abtasten, basieren auf dem Lidar-Verfahren.
Bild 5: Systeme, die ihre Umgebung mit einem Laserstrahl abtasten, basieren auf dem Lidar-Verfahren. (Bild: Prof. Böttcher)

Es kommen verstärkt sensortypisch miniaturisierte Messeinrichtungen auf den Markt, die die Umgebung mit einem Laserstrahl sehr schnell abtasten und dadurch ein dreidimensionales Abbild gewinnen. Sie werden heute in höheren Stückzahlen bei Saugrobotern für den Haushalt eingesetzt; auch für das autonome Fahren sind sie je nach Systemphilosophie notwendig. Das zugrundeliegende Lidar-Verfahren steht für Light Detection and Ranging (Bild 5). Ein Laserstrahl tastet in schneller Sequenz einen Raumbereich ab, indem die Lasereinheit selbst oder eine davor angebrachte Spiegelanordnung in zwei Raumrichtungen systematisch abgelenkt wird.

Alternativ sind rotierende Anordnungen denkbar, wie sie bei Rundumsichtsystemen zum Einsatz kommen. Mit einer gewissen Auflösung wird dann pro neuer Laserstrahlposition dessen Laufzeit gemessen, wodurch der Abstand vom Lidar-Sensor zum abgetasteten Oberflächenpunkt bestimmt werden kann. Jedem Raumpixel wird ein Abstandswert zugeordnet und als Ergebnis ein dreidimensionales Bild aus der Perspektive des Sensors entsteht.

Jörg Böttcher: Kompendium Messtechnik und Sensorik. ISBN 978-3-7448-5626-3 (Paperback), Verlag: Books on Demand. Der Autor ist auch Herausgeber des Open-Access-Online-Kompendiums mit Multiple-Choice-Zertifikatstest.

Lidar-Sensoren im virtuellen Fahrversuch simulieren

Lidar-Sensoren im virtuellen Fahrversuch simulieren

10.09.19 - Mit einer passenden Simulationsplattform können Entwickler unterschiedliche Sensortechniken simulieren. Dazu gehören auch Lidar-Sensoren, die beim automatisierten Fahren verwendet werden. lesen

* Prof. Dr.-Ing. Jörg Böttcher hat eine Professur für Regelungstechnik und Elektrische Messtechnik an der Universität der Bundeswehr in München inne.

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