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Positionsmesstechnik und Sensoren für die Nanopositionierung
Bei der Positionsmessung von geregelten Piezomechaniken gibt es grundsätzlich zwei verschiedene Prinzipien: Direktmetrologie und indirekte Metrologie.
Indirekte Metrologie
Wird z.B. die Position des Antriebes im Positioniersystem oder die Dehnung einer der Führungen gemessen und darüber auf die Stellung der Plattform zurückgeschlossen, spricht man von indirekter Metrologie. Fehler, die zwischen Antrieb und der eigentlich relevanten Position der Stellplattform auftreten, bleiben hier unberücksichtigt.
Direktmetrologie
Bei der Direktmetrologie wird die Bewegung an der entscheidenden Stelle direkt gemessen, z.B. durch Interferometer oder kapazitive Sensoren.
Direktmetrologie ist genauer und daher besser zur absoluten Positionsregelung geeignet, u.a. weil Phasenverschiebungen zwischen der Messung und der tatsächlichen Position ausgeschlossen werden. Dies macht sich besonders bei dynamischen Anwendungen, unter Last und bei Mehrachsenanwendungen bemerkbar.
Parallel- und Seriellmetrologie
Bei mehrachsigen Positioniersystemen gibt es zusätzlich die Unterscheidung zwischen Parallelmetrologie und Seriellmetrologie.
Bei Parallelmetrologie beziehen sich, im Gegensatz zur seriellen Metrologie, die Messungen aller Sensoren auf die gleiche bewegte Plattform. Dadurch können auch Abweichungen von der vorgegebenen Bahn im Raum erkannt und automatisch ausgeregelt werden (s. a. Active Trajectory Control). Parallelmetrologie kann sehr gut in Mehrachsensysteme mit paralleler Kinematik integriert werden (s. a. Seite Link).
Von Seriellmetrologie spricht man, wenn jeder Sensor genau einer Antriebsachse zugeordnet ist und parasitäre Bewegungen anderer Aktoren nicht erfasst. Führungsfehler durch Übersprechen können in diesem Falle nicht erkannt und ausgeregelt werden.
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Hochauflösende Sensoren
Dehnungsmessstreifen (DMS)
Dehnungsmessstreifen sind indirekt messende Sensoren (indirekte Metrologie). Ein DMS-Positionssensor besteht aus einem elektrisch leitenden Film, dessen Widerstand sich mit der Dehnung ändert. DMS können auf dem Aktor oder dem Führungssystem der Piezomechanik aufgebracht werden. Bis zu 4 DMS bilden eine Wheatstone-Brücke, die von einer Gleichspannung (5 bis 10 V) gespeist wird. Die Brücke wird so abgeglichen, dass die Ausgangsspannung proportional zur Auslenkung ist.
Eine DMS-Spezialbauform ist auch als piezoresistiver Sensor bekannt. Er weist eine relativ gute Empfindlichkeit, aber mäßige Linearität und Temperaturstabilität auf.
Auflösung: Besser als 1 nm (bei kleinen Stellwegen bis ca. 15 µm)
Bandbreite: Bis 5 kHz
Vorteile
Hohe Bandbreite Vakuumkompatibel Extrem kompakt
Allgemeine Eigenschaften Geringe Wärmeerzeugung (0,01 bis 0,05 W Speiseleistung). Langzeit-Positionsstabilität hängt von der Güte der Klebeverbindung ab. Indirektes Messverfahren.
Beispiele
Viele Piezoaktoren von PI sind mit integrierten DMS für positionsgeregelten Betrieb erhältlich (s. Kapitel "Piezoaktoren" Seite Link ff.).
Hinweis
Die Messbandbreite der hier vorgestellten Sensoren ist nicht mit der Bandbreite des geschlossenen Regelkreises der Piezomechanik zu verwechseln, die zusätzlich durch verschiedene elektrische und mechanische Eigenschaften des Systems begrenzt wird.
LVDT (Linear Variable Differential Transformer)
LVDTs sind gut für Direktmetrologie geeignet. Ein magnetischer Kern, der direkt am bewegten Teil angebracht wird, bestimmt die Menge der magnetischen Energie, die von der Primärwicklung in die beiden differenziellen Sekundärwicklungen übertragen wird (Abb. 15). Die Trägerfrequenz liegt typischerweise bei 10 kHz.
Auflösung: Bis 5 nm
Bandbreite: Bis 1 kHz
Wiederholbarkeit: Bis 5 nm
Vorteile: Gute Temperaturstabilität Sehr gute Langzeitstabilität Kontaktlos Misst direkt die Position des bewegten Teils (Direktmetrologie) Preisgünstig
Allgemeine Eigenschaften: Ausgasen von Isolationsmaterialien kann Anwendungen im Ultrahochvakuum beeinträchtigen Erzeugt Magnetfelder
Beispiele:
P-780, Seite Link; P-721.LLQ, Seite Link.
Kapazitive Positionssensoren
Kapazitive Zweiplattensensoren bestehen aus zwei mit Hochfrequenz gespeisten Platten, die Teil einer kapazitiven Brücke sind (Abb. 17). Eine Platte ist fest angebracht, die andere ist mit dem bewegten Objekt (z.B. der Stellplattform einer Piezomechanik) verbunden. Der Abstand zwischen den Platten ist umgekehrt proportional zur Kapazität, aus der die Auslenkung abgeleitet wird. Zweiplattensensoren können Auflösungen im Pikometerbereich erreichen (weitere Informationen s. Kapitel "Kapazitive Sensoren")
Auflösung: Besser als 0,1 nm möglich
Wiederholbarkeit: Besser als 0,1 nm möglich
Bandbreite: Bis zu 10 kHz
Vorteile: Höchste Auflösung aller kommerziell verfügbaren Sensoren Ideal für Parallelmetrologie Kontaktlos Exzellente Langzeitstabilität Exzellenter Frequenzgang Keine Magnetfelder Hervorragende Linearität
Allgemeine Eigenschaften: Die Parallelität der Platten muss durch eine geeignete Konstruktion des Nanopositioniersystems gewährleistet sein, weshalb Flexureführungen besonders geeignet sind. Durch das von PI entwickelte Linearisierungssystem ILS werden darüber hinaus Verkippungseinflüsse stark reduziert.
Beispiele:
P-733 Nanopositioniersystem mit Parallelkinematik und Parallelmetrologie, s. Seite Link
P-753 LISA NanoAutomation Aktoren, s. Seite Link. Weitere Beispiele finden Sie im Kapitel "Piezo-Nanopositioniersysteme".
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| Zeichnungen & Bilder: |
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Abb. 13. Dehnmessstreifen (DMS). Büroklammer zum Größenvergleich.
Abb. 14. LVDT-Sensor, Spule und Kern. Büroklammer zum Größenvergleich.
Abb. 16. Kapazitivsensoren erreichen bis zu 10.000 mal höhere Auflösungen als Schieblehren.
Abb. 15. Prinzipschaltbild eines LVDT-Sensors.
Abb. 17. Prinzipskizze eines Zweiplatten-Kapazitivsensors.
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