Maschinenüberwachung mit hochgenauen faseroptischen Abstandssensoren

Mit den im Fraunhofer IPT, Aachen, (DE), entwickelten miniaturisierten, abstandsmessenden Fasersensoren lassen sich Form und Lage an mehreren Stellen gleichzeitig nanometergenau und mit hoher Messrate bestimmen. Die hohe Messfrequenz gepaart mit einer Messunsicherheit deutlich < 1 Mikrometer ermöglicht eine Online-Maschinenüberwachung im Ultrapräzisionsbereich. Das entwickelte System basiert auf der kurzkohärenten Interferometrie und besteht im Wesentlichen aus 2 interferometrischen Einheiten, von denen die 1. rein faseroptisch in der sogenannten All-Fiber-Technik und die 2. als Michelson-Interferometer ausgeführt wurde. Das Messgerät verfügt über einen Arbeitsabstand von zirka 500 Mikrometer und einen Messbereich von etwa 80 Mikrometer, in dem eine Auflösung von 1 nm sichergestellt wird. Das faserbasierte Fizeau-Interferometer wird als Messsonde genutzt und kodiert den Messabstand dadurch, dass das Licht am Ende der Messsonde aufgrund von Fresnel-Reflexion in einen Mess- und einen Referenzstrahl geteilt wird. Die Sonden werden auf Basis von LWL (Lichtwellenleitern) aufgebaut und haben einen Außendurchmesser von 0,4 mm bis 3 mm. Anschließend werden beide Signale im Michelson-Interferometer dekodiert. Lediglich die miniaturisierte Sonde interagiert mit dem Messobjekt. Das resultierende Interferogramm im Michelson-Interferometer wird mit der CCD-Zeilenkamera detektiert und mit einem Computer weiterverarbeitet. Arbeitsabstand und Messbereich hängen zum einen vom Sondendesign (Brennweite) und zum anderen von der Winkeleinstellung des gekippten Spiegels sowie dessen Abstand zum Strahlteiler ab. Befindet sich ein Messobjekt innerhalb des Messbereichs, entsteht das charakteristische Interferenzmuster, das von der CCD-Zeile detektiert wird. Der Abstand zum Messobjekt korreliert mit der lateralen Position der Interferenzsignatur auf dem CCD-Chip und wird in einen Pixelwert umgerechnet, der dem Abstand entspricht. Das Gesamtsystem aus Auswerteeinheit und Sonde wird von Fionec, Aachen, (DE), gebaut und vertrieben. Direkte mögliche Anwendungen sind zum einen die Druckindustrie, in der Rundheits- und Rundlauffehler sich direkt auf die Druckqualität auswirken, und zum anderen die Walzindustrie, in der die Prüfung von mikrostrukturierten Walzenflächen zum Prägen von lichtleitenden Kunststofffolien erforderlich ist. Um eine Lösung für diese Anwendung zu demonstrieren, wurde ein Prüfstand aufgebaut. Auf der Control 2009 in Stuttgart präsentiert das Fraunhofer IPT diesen Aufbau, zusammen mit verschiedenen faseroptischen Sonden, die für die Prozessüberwachung ausgelegt worden sind.