DREHWINKEL MESSEN 16.05.2014, 11:27 Uhr

Sensoren arbeiten mit polarisiertem Licht präziser

Optische Sensoren messen genau, sind aber störanfällig. Bei magnetischen ist es umgekehrt. Jetzt gibt es ein Gerät, das beide Ansprüche weitgehend erfüllt. 

Auf der Testplatine befindet sich der Polarisationssensor, der den Drehwinkel misst. Links im Bild: Eine Welle mit integrierter Polarisationsfolie. 

Auf der Testplatine befindet sich der Polarisationssensor, der den Drehwinkel misst. Links im Bild: Eine Welle mit integrierter Polarisationsfolie. 

Foto: Fraunhofer IIS

Navigationsgeräte in Autos erfassen, anders als mobile, neben den Signalen des GPS-Satellitensystems jede Richtungsänderung eines Fahrzeugs. Die Daten ergänzen sich und sorgen für noch genauere Positionsangaben. Selbst in langen Tunneln, in denen es keinen Satellitenkontakt gibt, verlieren Navis dieser Art nicht ihre Lotsenfunktion.

Die Richtungsänderung ermitteln Drehwinkelsensoren, in diesem Fall auf magnetischer Basis. In Smartphones sorgen sie dafür, dass sich das Bild auf dem Display anpasst, wenn es um 90 Grad gedreht wird. Drehwinkelsensoren dieser Art sind unempfindlich und schmutzresistent. Deshalb lassen sie sich in rauen Umgebungen einsetzen, etwa in Produktionsstätten. Sie haben nur einen Nachteil: Sie sind nicht sonderlich präzise. Für Navi und Smartphone reicht es jedoch.

Licht schwingt in einer einzigen Ebene

Besser schneiden in diesem Punkt optische Drehwinkelsensoren ab. Deren Messergebnisse lassen allerdings zu wünschen übrig, sobald die optische Messstrecke verunreinigt ist, was in Fabriken ständig passiert. In Produktionsstraßen sorgen sie beispielsweise dafür, dass Bauteile, die auf Laufbändern durchgeschleust werden, an Weichen und Kreuzungspunkten so übergeben werden, dass sie weiterbearbeitet werden können, ohne neu positioniert zu werden. Die Sensoren ermitteln den Drehwinkel der Rollen, auf denen die Bänder laufen und steuern sie so, dass die Übergabe millimetergenau passt.

Bisher müssen die Fertigungstechniker Kompromisse machen: Entweder die Ungenauigkeit der magnetischen Sensoren akzeptieren oder häufige Störungen durch optische Sensoren. Damit ist künftig Schluss. Neue Sensoren, entwickelt am Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen (IIS) in Erlangen bieten hohe Präzision und geringe Störanfälligkeit. Sie arbeiten nach dem optischen Prinzip, aber mit polarisiertem statt normalem Licht, das in einer einzigen Ebene schwingt – völlig synchron, ähnlich wie Tänzerinnen in einer Revue.

Ein bisschen Licht kommt immer durch

Die IIS-Forscher befestigen einen Polarisationsfilter auf dem Objekt, dessen Drehwinkel sie erfassen wollen, etwa auf einer rotierenden Welle, und richten einen Lichtstrahl darauf. Er fällt hindurch und landet in polarisierter Form auf der Welle, die es reflektiert. Das reflektierte Licht fällt auf mehrere optische Gitter und wird, weil es polarisiert ist, jeweils charakteristisch abgelenkt. Daraus lässt sich der Drehwinkel bestimmen. Normales Licht würde in alle Richtungen davonstieben.

Die ISS-Methode ist zwar nicht so genau wie die normale optische, aber besser als die magnetische, sagen die ISS-Forscher. Weil das Licht als breites Band auf den Polarisationsfilter fällt und nicht als feiner Strahl wie bei der rein optischen Methode kommt auch bei Teilverschmutzungen immer noch ein bisschen durch.

Ein Beitrag von:

  • Wolfgang Kempkens

    Wolfgang Kempkens studierte an der RWTH Aachen Elektrotechnik und schloss mit dem Diplom ab. Er arbeitete bei einer Tageszeitung und einem Magazin, ehe er sich als freier Journalist etablierte. Er beschäftigt sich vor allem mit Umwelt-, Energie- und Technikthemen.

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