Abtastung

Unter Abtastung versteht man in der Signalverarbeitung die Erfassung von Messwerten eines analogen Signals in bestimmten zeitlichen Intervallen. Was genau es damit auf sich hat und welche Rolle die Abtastung in der Sensortechnik und für die industrielle Verwendung spielt, zeigt der Artikel.

Definition: Was ist mit Abtastung in der Sensortechnik gemeint?

Die Abtastung ist eingebettet in den Kontext der digitalen Signalverarbeitung. Unter diesem Begriff fasst man alle Bearbeitungsschritte zusammen, die darauf abzielen, Informationen aus einem gemessenen analogen Signal zu extrahieren beziehungsweise Informationen für die Übermittlung zur Weiterverarbeitung aufzubereiten. Damit die digitale Signalverarbeitung funktioniert, muss man die analogen Signale so umwandeln, dass sie gespeichert und verarbeitet werden können. Diese Umwandlung bezeichnet man auch als Digitalisierung.

Unter Abtastung versteht man in diesem Zusammenhang das Registrieren von Messwerten zu sogenannten diskreten Zeitpunkten. So gewinnt man aus einem zeitkontinuierlichen, also ununterbrochenen Signal ein zeitdiskretes Signal. Zeitdiskret bedeutet, dass die Messung in einem bestimmten Zeitabstand vorgenommen und dokumentiert wird.

Anders ausgedrückt bedeutet das: Bei der Abtastung werden die Werte eines Signals in definierten, üblicherweise regelmäßigen Intervallen erfasst. Das Resultat sind diskrete Werten, auch Abtastwerte genannt.

Da nicht unendlich viele Werte verarbeitet werden können, wird das Signal zum einen zeitlich quantisiert. Konkret bedeutet das, dass der aktuelle Wert des Signals zu diskreten Zeitpunkten erfasst beziehungsweise abgetastet wird. Dabei sind die Abstände zwischen den Zeitpunkten in der Regel immer äquidistant, also gleich groß. Die gemessenen Werte nennt man auch Abtastwerte. Zum anderen gilt es, die Amplitude des Signals (die maximale Auslenkung der Schwingung) zu erfassen.

Ideale und reale Abtastung

Um die digitale Signalverarbeitung systemtheoretisch zu erklären, müssen die Abtastung sowie die Signalrekonstruktion mathematisch "ideal" beschrieben werden. Die mathematische Beschreibung der idealen Abtastung macht die Definition einer sogenannten Abtastfunktion erforderlich. Für die Abtastfunktion bietet sich aufgrund der Erfassung des Signals zu diskreten Zeitpunkten eine Folge von Impulsen an.

Tatsächlich kann eine solche ideale Abtastfunktion nicht umgesetzt werden. Gründe sind die unendliche Steilheit und unendlich kurze Dauer von Impulsen – also, dass die technischen Bedingungen das Erzeugen idealer Impulse nicht zulassen. Aus dieser Tatsache ergibt sich daher die reale Abtastung.

Was ist die Abtastrate?

Die Abtastrate oder Abtastfrequenz wird auch als Samplingrate oder -frequenz bezeichnet. In der digitalen Signalverarbeitung bezieht sich der Begriff auf die Häufigkeit, mit der ein analoges, zeitkontinuierliches Signal in einer vorgegebenen Zeit abgetastet – also gemessen und in ein zeitdiskretes Signal umgesetzt – wird.

Bei dem Zeitintervall, innerhalb dessen die Umwandlung stattfindet, handelt es sich um das sogenannte Abtastintervall. Ist dieses Zeitintervall konstant, bezeichnet man es auch als Abtast- oder Samplingfrequenz.

Bei der Abtastung handelt es sich immer um einen periodischen Vorgang. Daher wird sie in der Einheit Hertz (Hz), also in Perioden pro Sekunde gemessen. Weil das sich ständig verändernde Signal immer nur zum Zeitpunkt des Abtastvorgangs erfasst wird, erhält man jedes Mal eine Momentaufnahme beziehungsweise einen Momentanwert. Aus diesem Grund nennt man die einzelnen Messergebnisse Samples (Stichproben) und spricht von Samples pro Sekunde (SPS).

Eine konstante Abtastfrequenz trägt zur einfacheren Weiterverarbeitung des Signals bei. Trotz der Tatsache, dass die eigentliche Abtastung nur im Kontext der Digitalisierung stattfindet, spricht man auch bei der weiteren Verarbeitung von der Abtastrate.

Verschiedene Abtastverfahren

Es gibt mehr als nur ein Abtastprinzip beziehungsweise -verfahren. Die meisten Messgeräte arbeiten aber nach dem Verfahren der photoelektrischen Abtastung. Diese erfolgt berührungslos und erzeugt dadurch keinerlei Verschleiß. Durch die photoelektrische Abtastung können selbst Teilungsstriche von wenigen Mikrometern erfasst werden. Diese erzeugen Ausgangssignale mit äußerst kleinen Signalperioden.

Anwendungen von Abtastung in der Industrie

Die möglichen Anwendungen der Abtastung im Rahmen der digitalen Signalverarbeitung sind schier endlos. Beispielhafte Anwendungsbereiche sind die folgenden:

  • Industrie, zum Beispiel für die Industrierobotik, Messtechnik, Computersehen, Servo-Kontrollsysteme, Barcode-Lesegeräte
  • Automobilbranche, zum Beispiel für die Motorkontrolle, ABS, ESP, GPS, Kollisionsvermeidung, aktive Geräuschreduzierung, Park- und Navigationshilfe, Sprachsteuerung, Airbag
  • Medizintechnik, zum Beispiel in der Magnetresonanztomographie (MRT), Computertomographie (CT), Positronen-Emissions-Tomographie und Sonografie
  • Telekommunikation, zum Beispiel für Mobiltelefone, Bluetooth, DSL, ISDN, Voice-Over-IP, Modem, Wireless LAN, Satellitenkommunikation
  • Unterhaltungselektronik, zum Beispiel für DVD-Player, Digitales Fernsehen und Radio, Video- und Tontechnik
  • Militär, zum Beispiel für Seismische Analysen, Sonar- und Radarsysteme, Raketenleitsysteme, Steuer- und Kontrollsysteme für Flugzeuge, Kernspinresonanzspektroskopie

Gerade in der industriellen Fertigung schreitet die Automatisierung voran und die Signalverarbeitung bringt im Rahmen elektronischer oder physikalischer Messungen große Vorteile. Die Robotik bildet die Speerspitze dieser Entwicklung, künstliche Intelligenzen sind essenzieller Bestandteil der Industrie 4.0.

Grund ist die rasante Verbreitung von Cobots, also kollaborativer Roboter. Mit ihren Fähigkeiten und dank modernster Sensortechnik verändern sie die Produktion grundlegend. Dabei sind die neuen Roboter sehr viel kleiner und weitaus kostengünstiger als die herkömmlichen Roboterarme. Investitionen in diesem Bereich sind also auch für mittelständische Unternehmen möglich.

Die Sensortechnik der Roboter besteht zum Beispiel aus Kamerasystemen und Kraft- beziehungsweise Drehmomentsensoren. Damit bilden die Roboter eine Schnittstelle zur Umwelt und ergänzen die Arbeit des Menschen, mit dem sie Seite an Seite arbeiten. Außerdem sind sie frei programmierbar und können dadurch temporär Aufgaben übernehmen. Das bedeutet, man kann sie für eine gewisse Zeit an einer Arbeitsstation einsetzen, dann erneut programmieren und an anderer Stelle neu einsetzen.

Die moderne Sensortechnik trägt entscheidend zur Entwicklung immer ausgeklügelter Robotersysteme bei. Zu den wichtigsten derzeit eingesetzten Sensortechniken in der Industrie gehören Tast- und Näherungssensoren sowie magnetische Positionssensoren, Gesten-Sensoren, Kraft- und Drehmoment-Sensoren, Power-Management-Sensoren und Umweltsensoren.

Ein Beispiel: Zu den weit verbreitetsten Sensoren in der Industrie, aber auch in der Unterhaltungselektronik zählen die sogenannten magnetischen Positionssensoren. So befinden sich in sämtlichen Gelenken der heute in industriellen Anwendungen zum Einsatz kommenden Industrieroboter zwei oder mehrere Positionssensoren. Der Grund: Nur mit ihrer Hilfe sind Drehbewegungen oder Gelenkrotationen möglich. Die meisten Roboter verfügen über kleine, leistungsstarke Gleichstrommotoren, die die Bewegung ihrer Gelenke und Gliedmaßen ermöglichen. Damit diese Motoren exakt angetrieben werden, sind Rückmeldungen zum aktuellen Drehwinkel nötig.

Der magnetische Positionssensor meldet den Drehwinkel des Motors an die Gelenksteuerung des Roboters. Anschließend bewegt sich das Gelenk auf Basis der übermittelten Daten und anhand eines geschlossenen Regelkreises in die favorisierte Position.

Ein Robotergelenk benötigt zwei Positionssensoren je Achse. Das bedeutet, dass ein Fußgelenk, das fähig sein soll, eine axiale Neigungs- und Drehbewegung auszuüben, vier Positionssensoren benötigt. Angesichts der großen Anzahl von Gelenken der meisten Roboter ist es also keine Überraschung, dass magnetische Positionssensoren in der Industrierobotik eine so wichtige Rolle einnehmen.

Die Flexibilität der künstlichen Intelligenzen ergibt sich also unter anderem aus ihren intelligenten Sensoren. Damit bieten sie vielfältige Anwendungsgebiete – was sie für Unternehmen sehr interessant macht. Zum einen tragen sie entscheidend zur Effizienzsteigerung und zur Beschleunigung der Fertigungsprozesse bei, zum anderen bringen sie enorme Kostensenkungen mit sich.

Klar ist auch, dass mit der Qualität der Sensoren auch die Feinfühligkeit der Roboter steigt. Das bringt zum einen mehr Sicherheit im Umgang der KI mit Menschen, zum anderen hilft diese Fähigkeit, Aufgaben zu lösen, an denen herkömmliche Roboter scheitern. Denn je enger zum Beispiel die Toleranzen der Bauteile sind, desto komplexer ist die Montage. Hier ist der Einsatz eines Roboters hilfreich, der die Umgebung abtasten kann und der letztlich die Qualität und Geschwindigkeit des Prozesses steigert.

Fazit

Durch ausgeklügelte Messtechnologien wie die Abtastung als Teil der Signalverarbeitung werden Sensortechnologie und Robotiksysteme erst realisierbar. Erst mit Hilfe von Sensoren können Roboter ihre Umgebung wahrnehmen und werden für industrielle Anwendungen verwertbar. Die Sensoren ermöglichen räumliches Sehen, das zur Objekterkennung und Kollisionsvermeidung eingesetzt wird. Viele aktuelle Service-Roboter verfügen über 2D- und 3D-Kameras, die mit hoher Auflösung ihre Arbeitsumgebung erfassen. So können zum Beispiel auch kleinste Messtoleranzen am Werkstück auf den Bedarf von Industrieersatzteilen hinweisen.

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