Zeilensensor zur einfachen Positionsbestimmung

Warum in die Ferne schweifen …?

Viele Applikationen, wie die Messung von Stoffbahnbreiten, Lagekontrolle von Fäden oder Drähten, konnten bisher nur mit technisch aufwendigen und kostenintensiven Zeilen- oder Flächenkameras gelöst werden.

Das Ziel bei der Entwicklung des Zeilensensors PosCon war, den Aufwand bei der Lösung dieser Aufgaben zu reduzieren und auf die bewährte einfache Handhabung von Optosensoren zurückzukommen. Bei der Entwicklung dieses neuen Zeilensensors wurde deshalb besonders darauf geachtet, sowohl die Bedienung wie auch die Montage sehr einfach zu halten. Der Sensor erfüllt diese Forderungen und ist außerdem wesentlich kompakter und deutlich kostengünstiger als bisherige Systeme.
Wenn es um die Erfassung von Kanten, Objektbreiten oder Dicken geht, lassen sich diese Aufgaben meist so beschreiben, dass man entlang einer gewissen Messlinie die Anwesenheit oder Abwesenheit des Objekts untersucht. Zeilenkameras sind bisher das Mittel der Wahl für eine solche Messung. Eine Zeilenkamera ist, vereinfacht gesagt, eine Videokamera, die keine Matrix sondern nur eine einzelne Zeile von Photoelementen besitzt. Zeilenkameras bestehen im wesentlichen aus folgenden Elementen:
Das Objektiv bildet das zu untersuchende Objekt ab. Man findet viele Kameras mit einer standardisierten Aufnahme für Objektive, um damit viele verschiedene Messbereiche einzustellen.
Der zeilenförmige Empfänger besteht aus vielen photoempfindlichen Elementen (im allgemeinen zwischen 256 und 4.096). Ein Objekt, das darauf abgebildet wird, ist entweder dunkel (Durchlichtbeleuchtung) vor einem hellen Hintergrund oder hell (Auflicht) vor einem unbeleuchtetem Hintergrund. Entsprechend haben im Zeilensignal die dazugehörigen Photoelemente eine mehr oder weniger hohe Spannung (Bild 1).
Die Auswerte- und Steuereinheit steuert die Zeile, liest die Elemente der Zeile aus und bewertet dieses nach unterschiedlichen Kriterien. Die Kriterien können je nach Aufgabe sehr unterschiedlich sein. Das beginnt bei einer einfachen Schwellwertoperation, bei der nur verglichen wird, ob das Zeilensignal eine gewisse Höhe überschreitet, womit man die Übergänge (Kanten) von hellen zu dunklen Bereichen findet. Es endet bei sehr komplexen Funktionen, wie z. B. der Erkennung von Barcodes. Um vom Umgebungslicht unabhängig zu sein benötigt man eine Beleuchtung, die das zu untersuchende Objekt von der Kameraseite (Auflicht) oder den Bereich hinter dem Objekt (Durchlicht) beleuchtet. Gängige Beleuchtungen sind Infrarot LEDs als Auflicht oder Leuchtstoffröhren im Durchlichtverfahren (Bild 2).
Der Anwendungsbereich ist sehr vielfältig von einfachen Anwendungsgebieten, wie z. B. Bahnkantenkontrollen bis zu sehr komplexen Aufgaben aus dem Gebiet der Bildverarbeitung. Deshalb gibt es eine sehr breite Palette von Produkten auf diesem Gebiet. Oft sind diese Produkte sehr vielseitig, was einerseits den Einsatz an vielen Orten zulässt, andererseits gerade wegen der Vielseitigkeit die Bedienung kompliziert macht und den Preis nach oben treibt.

Die PosCon Lösung
Auch der PosCon benutzt das Prinzip der Photodiodenzeile. Um aber die Funktion und Bedienung einfach und übersichtlich zu gestalten, wurden die möglichen Aufgaben auf das Nötigste reduziert. Dadurch ist es gelungen, den Zeilensensor PosCon aus der Nähe zur Bildverarbeitung klar auf die Seite der Sensoren zu ziehen.
Die integrierte Beleuchtung besteht aus einer IR LED im Sensor, welche eine Retroreflexfolie anstrahlt, die das ausgesendete Licht in sich zurückwirft. So erscheint für den Sensor das Objekt dunkel vor einem sehr hellen Hintergrund. Durch die hohe Reflektivität der eingesetzten Folie erscheint selbst weißes Papier als dunkles Objekt. Die Reflektivität der Folie ist so hoch, dass der Sensor mit nur 0,001 s Belichtungszeit auskommt. Die Folie kann leicht hinter das Objekt geklebt werden oder in Form eines Reflektors angebracht werden. Durch diese Art der Hintergrundbeleuchtung spart man gegenüber herkömmlichen Zeilenkamerasystemen eine externe Beleuchtungseinheit. Durch die Reflexfolie ist der Montageaufwand äußerst gering und zusätzliche Versorgungsleitungen, wie sie bisher bei externen Beleuchtungseinheiten nötig waren, entfallen vollständig. Ein im Sensor integrierter Mikrocontroller liest die Zeile Pixel für Pixel aus und sucht die hell/dunkel Übergänge im Bild. Der Einfachheit halber nennt man jeden hell/dunkel oder dunkel/hell Übergang eine Kante. Er speichert die Positionen der so gefundenen Kanten und berechnet am Ende des Auslesezyklusses den in der „Messart“ ausgewählten Wert. Die dabei erreichte Auflösung beträgt 1/1000 des Messbereichs, so lassen sich Auflösungen bis 0,03 mm erreichen. Der digital ermittelte Wert wird über einen D/A-Wandler als Analogwert (4 bis 20 mA) ausgegeben. Der PosCon erfüllt somit die Funktion eines Analogsensors. Da oft nur eine Überwachungsfunktion benötigt wird, besitzt der PosCon einen Schaltausgang, für welchen zwei Schaltschwellen (Toleranzgenzen) einstellbar sind. Will der Anwender das Messergebnis gleich als digitalen Wert, so kann er über eine optionale im Sensor integrierte serielle RS485-Schnittstelle die Messwerte auslesen, die Toleranzgrenzen setzen, die Messart auswählen usw.

Bedienung und Handhabung
Es gibt drei Standardmessbereiche. Für jeden Messbereich steht ein Reflektor oder eine Reflexfolie in der richtigen Größe zur Verfügung. Man kann folgende drei Messarten am Sensor per Taste einstellen, die jeweilige Messart bleibt auch erhalten wenn der Sensor stromlos war:
• Messung einer Kantenposition,
• Messung einer Mittenposition und
• Messung einer Breite.
Weiters sind zwei Messwerte per Teach-Taste programmierbar, die als Toleranzgrenzen für den Schaltausgang dienen. Die Grenzwerte bleiben ebenfalls erhalten, wenn der Sensor stromlos war.
Mit 50 x 50 x 22 mm ist PosCon so kompakt, dass er überall sehr einfach zu montieren ist. Alle Funktionen die über Tasten durchzuführen sind, können auch über eine RS485-Schnittstelle bedient werden.

Besonderheiten und Einsatzbereiche
Wegen des Beleuchtungsprinzips ist der PosCon in der Lage durchscheinende Objekte (z. B. aufgerauhtes Glas/Folie, durchscheinende Kunststoffe) ohne Problem und ohne zusätzlichen Aufwand zu erkennen. Aber auch glasklare Objekte lassen sich mit Hilfe einer Polarisationsoptik erfassen. Mit ihr ist es möglich ohne größere Einschränkungen auch die Kanten von glasklaren Objekten zu vermessen.
Der PosCon bietet aufgrund seiner Funktionen die Einsatzmöglichkeit für eine Vielzahl von Applikationen. Die für die Positions- und Breitenmessung typischen Anwendungen, wie z. B. die Regelung von Bahnkanten oder die Kontrolle und Bestimmung von Objektmaßen können mit diesem Sensor auch unter extrem beengten Einbauverhältnissen verwirklicht werden. Auch die Erkennung von Objektfehlern, wie z. B. Löchern in Materialbahnen ist mit Hilfe des Sensors zuverlässig und kostengünstig realisierbar.
Autoren: Dr. Klaus Müller, Daniel Göggel

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Bild 1: Bildaufnahme und Zeilensignal.
Bild 2: Prinzip einer Zeilenkamera.
Bild 3: PosCon Prinzip: Im kleinen Gehäuse sind Objektiv, Zeilenempfänger, Auswerte-/Steuereinheit und Beleuchtung enthalten.