Um unter den extremen Bedingungen des Weltalls sicher zu navigieren, braucht es auf der Erde...

Um unter den extremen Bedingungen des Weltalls sicher zu navigieren, braucht es auf der Erde… Micro-Epsilon

...Messplattformen, die die Thermostabilität der eingesetzten Komponenten vorab überprüfen.

…Messplattformen, die die Thermostabilität der eingesetzten Komponenten vorab überprüfen. Micro-Epsilon

Seit dem Beginn der Raumfahrt in der Mitte des 20. Jahrhunderts gibt es zahlreiche Entwicklungen, Flüge ins All, Forschungen und stets neue Entdeckungen in den Weiten des Kosmos. Allerdings stellen die Umweltbedingungen im Weltraum große Herausforderungen für viele Bauteile von Satelliten dar. Beispielsweise fallen die Temperaturen in Gebieten, die der Sonne abgewandt sind, auf bis zu -271 °C – also kurz vor dem absoluten Nullpunkt und somit im kryogenen Temperaturbereich.

Hingegen werden diese Elemente in Flugbahnen, bei welchen die Bauteile der Sonne zugewandt sind, sehr heiß und die Temperaturen steigen dort schnell auf über 200 °C an. Außerdem herrscht statt der Erdatmosphäre ein Vakuum. Die Technologie bei Raumfahrtmissionen muss diesen extremen Bedingungen standhalten. Daher sollte sich das Material nicht thermisch ausdehnen sowie möglichst ausgasungsfrei und strahlungsbeständig sein.

Hochgenaue Thermalverformungsmessung

Um diese Eigenschaften auf der Erde zu überprüfen, hat sich der Sensorikspezialist Micro-Epsilon mit KRP Mechatec zusammengetan. Der Ingenieurdienstleister hat sich auf Struktur-Design, -Analyse und -Tests auf dem Gebiet der Luft- und Raumfahrt sowie auf Fusionsforschungseinrichtungen spezialisiert.

Zusammen haben die Unternehmen eine Messplattform zur hochgenauen Thermalverformungsmessung von Raumfahrtkomponenten entwickelt. Dabei mussten die Partner drauf achten, dass die experimentelle Verifikation thermoelastisch stabiler Strukturen eine Messplattform mit einer vielfach höheren Thermostabilität erfordert, als sie von den zu untersuchenden Komponenten nachzuweisen ist. Um das Messergebnis nicht durch Verformung der Messplattform zu verfälschen, ist der Einsatz von thermisch äußerst stabilen Sensoren und von ULE- (ultra low expansion) Materialien wie Clearceram und Zerodur notwendig. Es handelt sich dabei um eine Glaskeramik, die äußerst niedrige thermische Ausdehnung und Längenstabilität aufweist. Daher wird sie in anspruchsvollen Anwendungen wie der Präzisionsmesstechnik oder der Astronomie eingesetzt, etwa Teleskop-Spiegelträger.

Orientierung an Himmelskörpern

Die hochpräzisen Sensoren an den Trägern für die Sternensensoren sind links, rechts und ­mittig montiert und messen das Verhalten des ­Trägermaterials bei Temperaturänderungen.

Die hochpräzisen Sensoren an den Trägern für die Sternensensoren sind links, rechts und ­mittig montiert und messen das Verhalten des ­Trägermaterials bei Temperaturänderungen. Micro-Epsilon

Eine der Messaufgaben galt dem Grad der thermischen Ausdehnung bei Trägern von Sternensensoren. Dabei handelt es sich um optische Messinstrumente auf Basis von CCD-Elementen oder anderen optischen Sensoren. Ihre Aufgabe ist die Suche und Richtungsbestimmung von hellen Himmelskörpern. Zudem sind sie zum Bestimmen der Fluglage und Lageregelung notwendig. Folglich haben Sternensensoren für die Raumfahrt eine hohe Bedeutung. Auch Satelliten nutzen beispielsweise den Sternenhimmel, um sich im Raum zu orientieren. Sternensensoren müssen demnach mikrometergenaue Messergebnisse liefern, um daraus exakte Positionsbestimmungen im Weltraum generieren zu können. Die Träger, auf denen Sternensensoren montiert werden, dürfen sich daher thermisch nicht verformen. Daher prüfen hochpräzise kapazitive Sensoren zur Weg-, Abstands- und Positionsmessung von Micro-Epsilon das Verhalten des eingesetzten Materials, wenn sich seine Temperatur ändert.

Die Träger haben in etwa die Form eines großen „M“. Links, rechts und mittig ist je ein Sternensensor montiert, wobei diese nach links beziehungsweise rechts außen geneigt sind. Der Sensor in der Mitte zeigt senkrecht nach oben. Während des Tests befinden sich an jeder Halterung) fünf kapazitive Sensoren, die in x-, y- und z-Richtung eine mögliche Verdrehung der Sternensensor-Plattformen im µrad-Bereich erkennen – zur Veranschaulichung: 1 µrad entspricht einer Verschiebung von 1 µm bei 1 m Hebelarm oder 0,0000573°. Tests der Messplattform zeigten eine Stabilität der Rotationsmessung an den Referenzflächen von <0,1 µrad/K.

Sensoren für harsche Bedingungen

Aufgrund ihrer Technologie sind kapazitive Sensoren in der Lage, auch in rauen Industrieumgebungen hochgenaue Messwerte zu erfassen. Sie eignen sich für Einsatzbedingungen bei Tiefsttemperaturen oder Ultrahochvakuum bis hin zu staubigen Industrieumgebungen oder Reinraumanwendungen. Auch unter diesen Bedingungen liefern sie Messwerte bis in den Nanometerbereich.

Die kapazitiven Sensoren von Micro-Epsilon sind außerdem langzeitstabil, weil sie keine Komponenten enthalten, die die Lebensdauer einschränken. Ein weiterer Vorteil ist die Kombinationsvielfalt: Jeder kapazitive Sensor lässt sich ohne aufwendige Kalibrierung mit einem beliebigen Controller von Micro-Epsilon verwenden.

Hannover Messe 2019: Halle 9, Stand D05

Messprinzip: Kapazitiver Sensor

Messprinzip kapazitiver Sensoren

Der kapazitive Abstandssensor und die (bewegliche) Gegenfläche bilden einen elektrischen Kondensator, deren Abstand die Kapazität bestimmt. Micro-Epsilon

Das kapazitive Messverfahren basiert auf dem Prinzip ­eines idealen Plattenkondensators: Verschiebt sich der Abstand zwischen den Platten, also Sensor und Mess­objekt, ändert sich die Gesamtkapazität.
Im Detail: Wird ein Wechselstrom mit konstanter ­Frequenz und konstanter Amplitude durch den Sensorkondensator geschickt, so ist die Amplitude der Wechselspannung am Sensor proportional zum Abstand des Messobjekts. Die Abstandsänderung wird im Controller erfasst, aufbereitet und das Ergebnis lässt sich über ­verschiedene Ausgänge ausgeben. So vermessen die ­Sensoren Weg, Abstand und Position präzise im ­Nano­meterbereich. Da das Messsystem nicht nur vom Abstand abhängt, sondern auch auf Änderung des Dielektrikums im Messspalt reagiert, sollte die Umgebung für herkömmliche kapazitive Sensoren sauber und trocken sein.