Mit Laser-Abstandssensoren lassen sich zum Beispiel Dicke, Verzug oder Planheit verschiedener Materialien in kurzer Zeit zuverlässig messen. Extreme Materialien mit Oberflächen, die stark spiegeln, oder solche mit dunklen Oberflächen bringen die eingesetzte Sensorik jedoch schnell an ihre Grenzen. Dass sich solche anspruchsvollen Messaufgaben dennoch mit Standardsensoren lösen lassen, zeigt die folgende Anwendung.
Solarzellen wandeln kurzwellige Strahlungsenergie, in der Regel Sonnenlicht, in elektrische Energie. Zu ihrer Herstellung werden einzelne Wafer nach dem Zuschneiden chemisch behandelt und anschließend bedruckt. Diese Bedruckung wird in einem Ofen eingebrannt. Dabei können sich die verschiedenen Materialien unterschiedlich ausdehnen und so zu Unebenheiten in der Solarzelle führen. Für die Weiterverarbeitung von einzelnen Solarzellen zu Solarmodulen ist es unerlässlich die Dicke und Verbiegung der einzelnen Zellen zu kennen. Stark verbogene Solarzellen sind bei Transport und Weiterverarbeitung gefährdet. Sie können durch Plandrücken, zum Beispiel beim Stapeln, zerstört werden. Bei der Fertigung der Module sollten pro Charge nur Zellen gleicher Dicke verwendet werden, um sowohl die Prozesssicherheit als auch die Modulqualität sicherzustellen. Dicke und Verbiegung von Materialien kann man beispielsweise optisch per Triangulation mit einem Sensor über und unter dem gemessenen Objekt ermitteln. Bei Solarzellen stößt dieses Prinzip naturgemäß auf ein Problem: Je besser eine Solarzelle, desto mehr Licht „schluckt“ sie. Will man trotzdem optisch messen, sind Sensoren gefragt, die auch bei geringen reflektierten Lichtmengen zuverlässig arbeiten.
Bildverarbeitungssysteme für die Fotovoltaikindustrie
Die 1990 gegründete Graphikon GmbH, Berlin, hat sich auf die Herstellung industrieller Bildverarbeitungssysteme spezialisiert. Mit 40 Mitarbeitern entwickelt das Unternehmen seit einigen Jahren vor allem Lösungen für die Qualitätssicherung in der Fotovoltaik-Industrie. Auf Anfrage eines Kunden hat das Unternehmen nun ein System zum Vermessen von Dicke und Verbiegung von Solarzellen entwickelt (Bild 1):
Die Solarzellen bewegen sich auf zwei Bändern durch drei Sensorpaare hindurch. Gemessen wird zwischen den Bändern sowie links und rechts davon. Da der Abstand der Solarzellen zum Sensor fest vorgegeben ist, kann das System die Verbiegung jeweils mit den Sensoren ermitteln, die unterhalb der Transportbänder angebracht sind. Zum Bestimmen der Dicke wird aus den Werten des Sensors oberhalb des Bandes und des gegenüberliegenden Sensors unterhalb des Bandes ein Differenzwert gebildet. Ermittelt werden die Dicken und Verbiegungswerte alle 5 mm. Für die Messung einer Solarzelle benötigt das System knapp eine halbe Sekunde, pro Messspur werden bei einer Standard 6-Zoll Solarzelle die Werte von gut 30 Messpunkten erfasst. Für die einfache Montage und Justage sind die Sensoren auf einer thermisch stabilen Hartgesteinplatte angebracht (Bild 2). Hier lassen sich die Sensoren nach verschiedenen Freiheitsgraden justieren und kalibrieren.
Stark lichtabsorbierende Materialien zuverlässig messen
„Die Messung der Verbiegung ist relativ unproblematisch, weil die Unterseite der Solarzellen für die Messung ausreichend viel Licht reflektiert.“ berichtet Peter Handschack, Geschäftsführer der Graphikon GmbH (Bild 3). „Schwierig dagegen ist die Dickenmessung. Hier muss auch noch der Abstand von oben gemessen und die Differenz aus beiden Werten gebildet werden. Das Problematische dabei ist, dass gute Solarzellen das meiste Licht des Sensors absorbieren. Hier haben wir verschiedene Messverfahren geprüft. Nachdem wir uns für die optische Messung entschieden haben, war die Wahl relativ leicht getroffen. Nur die Sensoren von Omron haben in unserem Fall die gewünschten Ergebnisse geliefert.“
Die eingesetzte Sensor-Produktfamilie ZS-HLDC (Bild 4) arbeitet auf Basis von 2D-CMOS-Technologie und wurde speziell für anspruchsvolle Messaufgaben konzipiert. Damit auch bei Standardeinstellungen des Sensors Fehler in der Dicke sicher erkannt werden können, passt das System die Intensität automatisch an. So lässt sich in der Anlage nun die Dicke der Solarzellen mit einer Genauigkeit von 10 µm messen.
Dazu werden die Sensorköpfe der ZS-H-Serie mit den zugehörigen Controllern kombiniert, die die Vorauswertung der Messsignale übernehmen und diese an den angeschlossenen PC übermitteln. „Die Messergebnisse der Dicke und Verbiegung stehen dann auch für die weitere Qualitätssicherung zur Verfügung“ erläutert Handschack. „Wenn wir mit einer Kamera die Außenmaße oder das Druckbild der Solarzellen vermessen wollen, müssen wir den Abstand der Zelle zur Kamera kennen. Und der verändert sich ja mit der Verbiegung der Zelle. Stehen die Verbiegungswerte aber zur Verfügung, kann man die Messergebnisse einfach normieren.“ Außerdem lassen sich mit dem System Tendenzen erkennen. So kann zum Beispiel bei kontinuierlicher Verschlechterung in die Fertigung eingegriffen werden.
Flexibel anpassbar
Für solche und andere sehr anspruchsvolle Messaufgaben bietet die modulare Sensor-Produktfamilie ZS-HLDC die passende Lösung. Die ZS-H-Serie besteht aus verschiedenen Sensorköpfen und Controllern für hochgradig dynamische Erfassung bei Oberflächen aller Art. Sie stellt Sensorköpfe mit bis zu 2000 mm Tastweite zur Verfügung. Mit anderen Varianten kann eine hohe Präzision von 0,25 µm bei einer Linearität von 0,05 % erreicht werden. Dank modular erweiterbarem Plattformkonzept lassen sich bis zu neun Sensoren kombinieren. Anwendung, Installation und Wartung wurden für alle Benutzerebenen bewusst einfach gehalten. Die Multitasking-Fähigkeit der Controller erlaubt gleichzeitig bis zu vier Messmethoden auszuführen, wie z. B. Stufenmessung, Messung der Ebenheit oder Exzentrizität.
Bei den Qualitätssicherungsanlagen für Solarzellen vermessen sechs Sensorköpfe, also jeweils drei Sensorpaare die Dicke und Verbiegung (Bild 5). Jeder dieser Sensoren ist mit einem scheckkartengroßen volldigitalen Sensorcontroller kombiniert, der die aktuell gemessenen Daten anzeigt (Bild 6). Gleichzeitig lassen sich mit dem Controller die Abstandssensoren entsprechend der jeweiligen Applikation parametrieren. Über USB- oder RS232-Schnittstelle können die Sensordaten dann an einen externen PC übertragen werden. Bei Bedarf lassen sich die Messdaten aller Sensor-Controller über einen speziellen High-Speed-Bus an einen ZS-MDC Multi-Controller übertragen, der die einzelnen Messwerte miteinander verrechnet und diese Daten an den in der Anlage eingebauten Industrie-PC zum Speichern übergibt. Der Multi-Controller bietet standardmäßig „Messwerkzeuge“ zur Höhenmessung, Stufen- und Zwischenraummessung, Dickenmessung, Messung der Ebenheit (Minimum und Maximum), Mittelwertmessung, Messung der Exzentrizität als Berg-Tal-Wert sowie Messung von Verzug und Planarität. Insgesamt können bis zu neun Sensorköpfe an den Multi-Controller angeschlossen werden.
Weil für die Sensorfamilie auch Messungen bei verschiedenen Farben oder Helligkeiten unproblematisch sind, eignet sie sich auch für andere schwierige Messaufgaben wie z.B. die Detektion von Leiterplatten, Kunststoffen, schwarzem Gummi und transparenten oder stark spiegelnden Objekten. Der Anwender muss dazu lediglich am Sensorcontroller den entsprechenden Oberflächentyp auswählen. Das intelligente Sensorkonzept stellt dann alle Parameter entsprechend der Anwendung selbstständig ein.
Omron Electronics, Langenfeld www.omron.de
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