Vier Schritte zum richtigen Sensor

Den geeigneten Sensor zur Messung der Leistung bzw. bei gepulsten Lasern der Energie zu finden, scheint auf den ersten Blick ein einfaches Unterfangen. Häufig wird nur der entsprechende Leistungs- oder Energiemessbereich festgelegt und danach der entsprechende Sensor ausgewählt. Das Risiko, durch diese eindimensionale Betrachtung das Messergebnis zu verfälschen oder die Lebensdauer des Messkopfes zu verringern, ist hoch. Berücksichtigt man hingegen einige grundlegende Parameter, steht einer korrekten Messung nichts im Weg. Sammeln Sie in vier Schritten alle notwendigen Informationen und finden Sie den für Ihre Anwendung optimal geeigneten Messkopf.


1. Anwendung spezifizieren
 Bevor ein Sensor ausgewählt werden kann, sollte man sich einige grundlegende Fragen zur geplanten Anwendung des Messsystems stellen:
 Die Antworten auf diese Fragen liefern die Basis für den Auswahlprozess.

  • Soll ein gepulster oder ein Dauerstrich Laser vermessen werden?
  • Wird der Sensor für unterschiedliche Anwendungen genutzt und muss mehrere Wellenlängen messen können?
  • In welchem Umfeld wird der Laser eingesetzt (Labor/Produktion)?
  • Welche Ansprechzeiten des Messkopfs erfordert meine Anwendung?

 

2. Betriebsparameter des Lasers ermitteln
 Im nächsten Schritt geht es darum, die Kerndaten Ihres Lasers zu bestimmen. Je nachdem, ob es sich bei dem Laser um einen Dauerstrich, auch Continuous Wave (CW) Laser, oder einen gepulsten Laser handelt, unterscheiden sich einige Parameter:
 
 CW-Laser
 Bei Dauerstrich-Lasern dient die durchschnittliche Leistung als charakteristische Messgröße. Typische Messbereiche rangieren von Nanowatt bis hin zu Kilowatt. Es ist ein guter Anhaltspunkt, dass der Messbereich des Sensors so gewählt wird, dass das zu erwartende Messergebnis im oberen Drittel des jeweiligen Messbereichs liegt. Entscheidend ist immer die Anwendung: Beispielsweise kann bei einem Laser mit einem Leistungsbereich von 200 mW bis 10 W ein Sensor ausreichend sein, der für 20 mW bis 10 W ausgelegt ist. Werden jedoch häufiger Messungen im Bereich um 10 W durchgeführt, sollte der Leistungsbereich des Sensors erweitert werden. Hier wäre ein Sensor mit einem dynamischen Messbereich von 2 mW bis 12 W besser geeignet. Ist das Leistungsspektrum zu weit, sollten zwei Sensoren, einen für den höheren und einen für den niedrigen Messbereich, bevorzugt werden.
 
 
 Gepulste Laser
 Bei gepulsten Lasern misst der Sensor in der Regel die Energie des Laserstrahls. Dabei ist es auch bei einem gepulsten Laser wichtig, den Messbereich festzulegen, in dem der Energiesensor überwiegend arbeiten wird. Zusätzlich dient die Pulsfrequenz als weiteres Entscheidungskriterium: Die meisten Energiesensoren arbeiten bei Pulsfrequenzen zwischen einem Hertz und 2 kHz völlig problemlos, einige schaffen sogar bis zu 25 kHz.
 
 Bei noch höheren Pulsfrequenzen muss man auf Messköpfe zurückgreifen, die die durchschnittliche Leistung messen. Um die durchschnittliche Leistung des Lasers vorab zu kalkulieren, nutzt man die folgende Formel:
 
 Mittlere Pulsleistung[Watt] = Energie[Joule] x Frequenz[Herz]
 
 Daraus folgt zum Beispiel: ein gepulster Laser verfügt über eine Repetitionsrate von 30 kHz, umgerechnet entspricht dies bei einem Millijoule pro Puls einer durchschnittlichen Leistung von 30 Watt. Bei der Wahl des Sensors wäre ein Leistungsmesser mit einer nominalen Leistung von 30 bis 40 Watt ideal geeignet.
 
 Zusätzlich sollte man die Pulsdauer(t) und die Pulsspitzenleistung(Pmax) mit der Formel: Pmax[Watt]= Pulsenergie[Joule] / Zeit[s] kennen, um sicherzustellen, dass die Zerstörschwelle des gewählten Sensors nicht überschritten wird.
 
 
 Abb. 2: Auf unserer Webseite finden Sie diesen Kalkulator zur Berechnung der Pulsspitzenleistung
 
 Ist die Pulsdauer bei gegebener Energie zu kurz, überschreitet die Leistungsdichte unter Umständen die Vorgaben eines bestimmten Sensors.
 
 
 Abb. 3: Die Grafik zeigt den Zusammenhang zwischen Zerstörschwelle und Pulsdauer
 
 Wird die maximal zulässige Pulsdauer für den jeweiligen Messkopf überschritten, kann es zu fehlerhaften Messergebnissen kommen. Auch in diesem Fall stellt ein Leistungssensor die Alternative dar.
 
 Zusätzlich gilt es bei beiden Laserarten die folgenden Parameter zu definieren:
 
 Wellenlänge
 Einige Sensoren arbeiten wellenlängenspezifisch (mit einigen, diskreten Wellenlängen), andere rangieren unter der Kategorie "Breitband" und messen aufgrund ihrer flachen Absorptionskurve einen größeren Spektralbereich, ohne dass die genaue Wellenlänge eingestellt werden muss.
 Abb. 4: Die Grafik zeigt den Zusammenhang zwischen Absorption und Wellenlänge bei pyroelektrischen Sensoren.
 
 Strahldurchmesser
 Der Strahldurchmesser entscheidet über die Größe der Sensorfläche. Ist der Strahldurchmesser zu groß oder zu klein, muss eine zusätzliche Optik genutzt werden. Dies sollte aber nach Möglichkeit vermieden werden. Wichtig: Wählen Sie nie einen Sensor, der exakt dem Strahldurchmesser entspricht. Generell rechnet man immer mindestens 10, besser 30 Prozent hinzu, um die Positionierung des Strahls zu vereinfachen. Strahldurchmesser werden häufig mit 1/e² angegeben, was lediglich 86,5% des maximalen Leistungs- oder Energiewertes entspricht. Sollte der Strahldurchmesser zu groß sein für die Sensorfläche, wird nicht die gesamte Leistung erfasst. In der Praxis rechnen wir von diesem Faktor auf 100 Prozent hoch, um den vollen Strahldurchmesser für die Messung zu kalkulieren.
 
 Häufig ist es das Anliegen, Leistung oder Energie direkt im Brennpunkt des Laserstrahls zu messen. Dies sollte auf jeden Fall vermieden werden: Die Leistungs- oder Energiedichte des Strahls erreicht hier einen so hohen Wert, dass die Spezifikationen nahezu jedes Sensors überschritten werden. Eine Messung an dieser Stelle würde den Sensor definitiv beschädigen.
 
 
 Abb. 5: Mit diesem Kalkulator lässt sich die Laserleistungsdichte einfach online berechnen.
 
 Um zuverlässige und genaue Ergebnisse zu erhalten, muss der Messkopf so weit außerhalb des Fokus platziert werden, dass die Ausleuchtung optimiert und die Zerstörschwelle des Sensors gleichzeitig nicht überschritten wird. Zur Verbesserung der Messgenauigkeit versucht man ca. 50 – 60% der aktiven Messfläche auszuleuchten. Sobald alle Betriebsparameter des Lasers bekannt sind, folgt Schritt 3.

 

 3. Messmethode ermitteln

 Es gibt drei Arten der Messung, die je nach den Anforderungen des Laserprozesses gewählt werden können:
 
 Gemittelte Leistung
 Die meisten Laser lassen sich, unabhängig davon ob es sich um gepulste Laser oder CW-Laser handelt, mit einem Leistungssensor messen, der einen Wert für die durchschnittliche Leistung liefert. Die Reaktionszeiten eines solchen Sensors liegen allerdings zwischen 200 μs bis zu mehreren Sekunden, so dass der Sensor erst nach einer gewissen Zeit ein zuverlässiges Ergebnis liefert. Für Dauerstrich-Laser ist dies die einzige Messmöglichkeit. Bei einem gepulsten Laser lässt sich ebenfalls die durchschnittliche Leistung ermitteln, allerdings gehen hier wertvolle Informationen verloren. Beispiel: Ein gepulster Laser mit 20 Hz arbeitet bei 200 mJ Energie (das entspricht 2 W durchschnittliche Leistung). Mit einem Sensor, der die durchschnittliche Leistung misst, sind 20 Pulse erforderlich, um das Messergebnis von 2 Watt zu erhalten.
 
 Energiemessung bei Pulsfolgen
 In den meisten Fällen können gepulste Laser mit Hilfe von pyroelektrischen Sensoren gemessen werden, die jeden einzelnen Puls erfassen. Dieser Ansatz liefert die genauesten Informationen zur Laseraktivität. Die Wahl des geeigneten Messkopfs hängt dabei stark von den Betriebsparametern ab. Zwar liegen Energiesensoren preislich etwas höher als Leistungssensoren, liefern aber hinsichtlich der Puls-zu-Puls Performance des Lasers über mehrere Messungen hinweg deutlich aussagekräftigere Ergebnisse. Sie sind deshalb bei gepulsten Lasern immer zu bevorzugen.
 
 Einzelschuss-Energiemessung
 Eine andere Methode der Energiemessung ist die Einzelschussmessung. Dabei wird ein diskreter Puls des Lasers im Abstand von mindestens 5 Sekunden gemessen. Die Messmethode kann bei den meisten Energie- und Leistungssensoren gewählt werden.


 4. Einen konkreten Sensor ermitteln 

 Sie kennen Ihre Anforderungen, alle Betriebsparameter des Lasers liegen vor und die gewünschte Messmethode steht fest – nun können Sie sehr schnell den optimalen Sensor für Ihre Anwendung ermitteln, indem Sie:
 

  • mit uns direkten Kontakt aufnehmen und wir ermitteln für Sie anhand Ihrer Informationen den optimalen Messkopf. Gerne demonstrieren wir Ihnen dessen Funktionsweise auch vor Ort in Ihrer Umgebung.
  • unsere Online-Applikation Sensor Finder nutzen, dort die von Ihnen definierten Parameter eingeben und auf Knopfdruck Produktvorschläge erhalten, die beginnend mit der günstigsten Alternative gelistet werden.
     
     
     Abb. 6: In die Maske des Sensor Finders geben Sie Ihre Parameter ein.
      
  • das Sensor Finder Programm von unserer Website auf Ihren PC laden und die Suche lokal ausführen. Auch hier erhalten Sie hervorragende Orientierungshilfen zur Wahl des geeigneten Messkopfs.
  • Vor einer Bestellung empfehlen wir Ihnen dennoch, zunächst mit unserem Vertrieb Kontakt aufzunehmen. So stellen Sie sicher, die optimale Lösung für Ihre Messaufgabe zu finden.

HINWEIS: Eine wichtiger Wert, den das Sensor Finder Programm (SFP) liefert, ist die Zerstörschwelle des jeweiligen Sensors bei der eingegebenen Anwendung. Bei m100%-Wert der Zerstörschwelle würde der Laserstrahl den Messkopf beschädigen. Üblicherweise wählt man hier eine Sicherheitsmarge von 20 – 30%. Der Sensorfinder prüft alle Standard Messköpfe auf Eignung für Ihre Anwendung. Sollte, aus welchen Gründen auch immer, für Ihre Anwendung kein passender Messkopf ermittelt werden, dann sprechen Sie uns bitte direkt an. Über unser Sortiment an Standard-Messköpfen hinaus, bieten wir Ihnen zahlreiche Sonderlösungen für Ihre individuellen Herausforderungen. Gerne können Sie für Ihre Anfrage unser Spezialanfrage auf der Webseite nutzen.

 
 
 Abb. 7: Die häufigsten Fragen zur Sensorwahl beantworten wir Ihnen in diesem Video auf unserem YouTube-Kanal.

Dirk Rieley, Ophir-Spiricon LLC und Christian Dini, Ophir-Spiricon Europe