Kapazitive Sensoren

Hochgenaue Micro-Epsilon-Messtechnik für die Weltraumforschung

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Das Weltall fasziniert die Menschheit seit jeher. Um es bis in die Tiefen erforschen zu können, werden innovative Sensorlösungen benötigt. Deshalb haben KRP Mechatec und Micro-Epsilon Messtechnik ein hochgenaues, kapazitives Messverfahren zur Verformungsmessung unter den extremen Umweltbedingungen des Weltraums entwickelt.

Dipl.-Ing.(FH) Norbert Reindl, Gruppenleiter Entwicklung Kapazitive Sensorik, Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG in Ortenburg, und Dr.-Ing. Christoph Zauner, Technischer Leiter, KRP Mechatec GmbH in Garching bei München

Inhaltsverzeichnis

1. Exakte Positionsbestimmungen
2. Bei Tiefsttemperaturen oder im Ultrahochvakuum
3. Kapazitive Sensoren

Die KRP Mechatec GmbH ist ein Ingenieurdienstleister, der sich auf Struktur-Design, -Analyse und -Tests auf dem Gebiet der Luft- und Raumfahrt sowie auf Fusionsforschungseinrichtungen spezialisiert hat. In Zusammenarbeit mit dem Sensorikspezialisten Micro-Epsilon hat er nun eine Messplattform zur hochgenauen Thermalverformungsmessung von Raumfahrtkomponenten entwickelt: Die experimentelle Verifikation thermoelastisch stabiler Strukturen erfordert eine Messplattform mit einer um ein Vielfaches höheren Thermostabilität, als sie von den zu untersuchenden Komponenten nachzuweisen ist. Um das Messergebnis nicht durch eine Verformung der Messplattform zu verfälschen, ist deshalb der Einsatz von thermisch äußerst stabilen Sensoren und von ULE-Materialien (ultra low expansion) wie Clearceram und Zerodur notwendig. Es handelt sich dabei um Glaskeramiken, die eine besonders niedrige thermische Ausdehnung und Längenstabilität aufweisen. Dadurch eigenen sie sich für anspruchsvolle Anwendungen in der Präzisionsmesstechnik sowie der Astronomie.

Exakte Positionsbestimmungen

Eine der Messaufgaben der Plattform gilt der Bestimmung der thermischen Ausdehnung bei Sternensensorträgern. 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. Für die Raumfahrt sind Sternensensoren von hoher Bedeutung, da sie zur Bestimmung der Fluglage und Lageregelung notwendig sind. 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. Und auch die Träger, auf denen Sternensensoren montiert werden, dürfen keinerlei thermischen Verformungen ausgesetzt sein. Das Verhalten des eingesetzten Materials wird daher über hochpräzise kapazitive Sensoren zur Weg-, Abstands- und Positionsmessung von Micro-Epsilon geprüft.

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

Bei Tiefsttemperaturen oder im Ultrahochvakuum

Die Umweltbedingungen im Weltraum stellen große Herausforderungen für viele Bauteile von Satelliten dar. In Gebieten, die der Sonne abgewandt sind, herrschen tiefe Temperaturen von bis zu -271 °C, während die Temperaturen in Flugbahnen, in denen die Bauteile der Sonne zugewandt sind, schnell auf mehr als 200 °C ansteigen. Darüber hinaus herrscht statt der Erdatmosphäre ein Vakuum. Technologie, die bei Raumfahrtmissionen eingesetzt wird, muss diesen extremen Bedingungen standhalten. Das Material sollte sich beispielsweise nicht thermisch ausdehnen sowie möglichst ausgasungsfrei und strahlungsbeständig sein. In Bezug auf die Messtechnik sind drei Faktoren entscheidend: Robustheit, Zuverlässigkeit und eine lange Lebensdauer. Diese Anforderungen stellen insbesondere präzise Sensoren vor hohe Herausforderungen. Kapazitive Sensoren von Micro-Epsilon eignen sich besonders gut für Messaufgaben dieser Art unter extremen Bedingungen. Aufgrund ihrer innovativen Technologie liefern sie auch bei extremen Temperaturen Messwerte bis in den Nanometerbereich und eignen sich für Einsätze bei Tiefsttemperaturen oder im Ultrahochvakuum bis hin zu staubigen Industrieumgebungen oder Reinraumanwendungen. Die kapazitiven Sensoren des Sensorikspezialisten sind zudem langzeitstabil, weil keine Komponenten verbaut sind, die die Lebensdauer einschränken. Eine weitere Stärke ist die Kombinationsvielfalt: Jeder kapazitive Sensor kann ohne aufwändige Kalibrierung mit einem beliebigen Controller von Micro-Epsilon verwendet werden. ik

www.micro-epsilon.de

www.krp-mechatec.de

Weitere Details zu den kapazitiven Sensoren von Micro-Epsilon:

hier.pro/lW4u1

Messe Sensor+Test 2019: Halle 1, Stand 320


PLUS

Kapazitive Sensoren

Das kapazitive Messverfahren basiert auf dem Prinzip eines idealen Plattenkondensators. Die Gesamtkapazität ändert sich, wenn sich der Abstand zwischen den Platten, also Sensor und Messobjekt, verschiebt. 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. Weg, Abstand und Position können so präzise im Nanometerbereich vermessen werden. Da das Messsystem nicht nur vom Abstand abhängt, sondern auch auf eine Änderung des Dielektrikums im Messspalt reagiert, sollte die Umgebung für herkömmliche kapazitive Sensoren sauber und trocken sein.

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