Die Auswertung der Messreihen erfolgt über die Kennzahlen
Cg und Cgk des Messfähigkeitsnachweises
Der Sensor hat einen radialen Erfassungsbereich über 95°
der ins 16 Segmente á 5,93° unterteilt ist. In den vorgenommenen
Messungen wird jedoch immer gegen eine Ebene Wand (Abb.17) und keine
dem Sensor angepasste Halbschale (Abb.18) gemessen. Daher ist es
notwendig für alle Segmente eine Längenkorrektur der gemessenen
Distanz zu bestimmen um somit eine Projektion auf die gemessene
Ebene zu erhalten. Die Umrechnungsfaktoren abhängig von jeweiligen
Segment sind in nachfolgender Tabelle (Tab.1) dargestellt. Die tabellarische
Auswertung der einzelnen Messreihen nutzt diesen Korrekturfaktor
und die Segmente auf den Prüfabstand(Normal) zu skalieren. Zur
Berechnung wird hauptsächlich die folgende Formel verwendet (Abb.16). Hierbei
beschreibt der „Sensorwert“ die gemessene Distanz und das „Lot“
den exakten Abstand als Lotgerade. Alpha beschreibt den jeweiligen
Winkel zwischen Segment und Lotgerade.
Segmente
Winkel zur Normalen
Abstand zur Wand[m]
1
44,53125°
1,403m
2
38,59375°
1,279m
3
32,65625°
1,188m
4
26,71875°
1,120m
5
20,78125°
1,070m
6
14,84375°
1,035m
7
8,90625°
1,012m
8
2,96875°
1,001m
9
-2,96875°
1,001m
10
-8,90625°
1,012m
11
-14,84375°
1,035m
12
-20,78125°
1,070m
13
-26,71875°
1,120m
14
-32,65625°
1,188m
15
-38,59375°
1,279m
16
-44,53125°
1,403m
Tab.1 Winkelkorrektur der einzelnen Sensorsegmente bezogen
auf ein Meter Normalenabstand.
Die einzelnen Messungen sind anhand der nachfolgenden Tabelle
spezifiziert. Dieser können die Messumstände und die Rahmenbedingungen
entnommen werden. Im Gesamten ergibt sich daraus 60 Messreihen,
á 16 Segmente, á 50 Werte = 48000 ausgewertete Distanzen.
In Nachfolgenden sind exemplarisch einige Messreihen aus obiger
Tabelle dargestellt. Am Ende dieser Seite sind sämtliche Auswertungen
als Download verfügbar. Das erste Tabellenblatt einer Messreihe
gibt einen Gesamtüberblick über den Cg und Cgk aller Segmente innerhalb
einer Messung. Die folgenden Tabellenblätter beinhalten die detaillierten
Auswertungen jedes einzelnen Segmentes und die dazugehörigen Daten.
Die im folgenden Bild (Abb.19) dargestellten Parameter wurde für alle Messreihen
verwendet.
Messreihe 1 Laboraußenwand 1
Messreihe 10 Halle 1
Langzeitmessung
Die Nachfolgende Messung
erfüllt nicht die Voraussetzungen zur Erfassung von Messwerten nach
MSA-Vorgabe. Der Sensor wird nicht zwischen den einzelnen Messwerten
neu referenziert sondern mehrere Messwerte vom Sensor hintereinander
abgerufen. Außerdem wurde die Interne Mittelwertbildung auf 16 Mittelwerte
eingestellt.
Fazit der Messfähigkeitsanalyse
Der Hersteller
des Sensors gibt die Auflösung des Sensors mit etwa einem Zentimeter
an. Der Sensor bietet jedoch die Möglichkeit die Messwerte im Bereich
von Millimetern über Zentimeter und Dezimeter bis hin zu Metern
abzurufen. Entsprechend der Einstellungen werden Nachkommastellen
abgeschnitten. Wird der Sensor also entsprechend der vom Hersteller
spezifizieren Zentimeter eingestellt kann bei einem geringen Abstand
wie Beispielsweise einem Meter keine Messfähigkeitsanalyse durchgeführt
werden. Die Messwerte springen hier lediglich zwischen zwei Werten,
wodurch die Streuung zu gering ist um Aussagen über die Fähigkeit
des Systems machen zu können. Um überhaupt eine Analyse durchführen
zu können, wird der Messwertebereich auf Millimeter gestellt. Dies
führt dazu, dass eine gewisse Streuung durch Ungenauigkeiten entsteht
und somit eine Auswertung ermöglicht.
Die oben dargestellten
Messungen wurden mit den zuvor erwähnten Einstellungen durchgeführt.
Mit den entsprechenden Winkelkorrekturfaktoren können alle Segmente
auf den Normalenabstand skaliert werden. Es zeigt sich jedoch, dass
das System weder bei kurzen(1000 mm) noch bei mittleren(ca. 12000
mm) Distanzen als vollständig fähig klassifiziert werden kann. Ein
wesentlicher Grund hierfür ist der zufällige Offset. Dieser Offset
ist recht hoch und liegt bei einem Meter liegt dieser bei etwa +/-
4 Zentimeter. Bei der Messfähigkeitsanalyse ist es außerdem notwendig
immer nur ein Messwert abzuholen, den Sensor anschließend auf der
Schiene neu zu referenzieren und erst danach einen neuen Messwert
abzuholen. Dies führt zu einer Streuung. Um die Streuung zu verringern
benötigt der Sensor über die interne Mittelwertsberechnung und die
Optimierungsalgorithmen mehrere Iterationen um die Distanz genauer
bestimmen zu können. Dies zeigte sich bei einigen Langzeitmessungen.
Wie in der Information oberhalb der Messung angegeben entspricht
die Messwerterfassung nicht den Richtlinien der MSA. Da der Sensor
nicht zwischen jeden Messungen neu referenziert wird. Es zeigt sich
jedoch, dass wenn mehrere Werte hintereinander Abgerufen werden
und die Mittelwertsbildung aktiviert ist der Sensor als fähig klassifiziert
werden kann. Das bedeutet Cg liegt oftmals weit über 1.33 und die
Streuung ist somit sehr gering. Hingegen erreicht der Kennwert Cgk
nicht die Erfordernisse, da der Offset des Sensors dazu führt, dass
die Messwerte nicht zentriert innerhalb der Grenzen liegen. Ein
weiterer Aspekt der sich auf den die Messdaten auswirkt sind Umgebungseinflüsse.
Im besonderen Beleuchtung. Der Sensor arbeitet mit einer Wellenlänge
von 940 nm im Infrarotbereich. Wenn während der Messwerterfassung
eine externe Infrarotquelle in diesem Wellenlängenbereich auf den
Sensor einstrahlt ändert sich die ermittelte Distanz der jeweils
betroffenen Sensorsegmente. Der Nachweis erfolgte hier durch die
Verwendung einer herkömmlichen TV Fernbedienung. Richtet man die
Fernbedienung auf den Sensor während der Messwerterfassung und betätigt
Knöpfe auf der Fernbedienung springt die gemessene Distanz des Sensors.
Ebenfalls relevant ist, dass der Hersteller den Sensor für eine
Distanz zwischen 0 und 100 Metern bei einer Genauigkeit von +/-
5 Zentimetern spezifiziert. Es wird keine Aussage darüber gemacht
inwiefern die Genauigkeit mit der Distanz abnimmt bzw. sich ändert.
Da nichts anderes bekannt ist, wurde diese Genauigkeit als oberer
und unterer Grenzwert für die Analyse für alle Distanzen festgelegt.
Im Bereich von einem Meter wird die spezifizierte Genauigkeit eingehalten,
was anhand der ersten exemplarischen Messreihe abzulesen ist. Jedoch
bei mittleren Distanzen von etwa 12 Metern kann diese schon nicht
mehr eingehalten werden. Weniger Auswirkungen haben die Oberflächen
bzw. die Oberflächenstruktur im Erfassungsbereich des Sensors. Geprüft
wurden Oberflächen wie Beton, Metall, Tapeten, Spiegel, LCD-Panels
usw. Es zeigte sich dass die Farbe keine messbaren Auswirkungen
auf die gemessene Distanz hat. Weiterhin spielen geringe Unebenheiten,
Beispielsweise bei einem gewellten Garagentor nur eine geringe Rolle.
Viel relevanter ist hier die Reflektanz der Oberfläche. Stark reflektierende
Oberflächen führen entweder zu fehlerhaften Messungen oder zum Erfassungsausfall
des jeweils betroffenen Segments. Erkennt der Sensor eine Fehlerhafte
Messung wird der Messwert nicht mehr ausgegeben. Die vom Hersteller
angegebene Messdistanz von 0 bis 100 Metern konnte ebenfalls nicht
nachgewiesen werden. Schon bei etwa 20 Metern können einzelne Segmente
nicht mehr detektiert werden. Der Sensor gibt entsprechend eines
Time of Flight Sensors Infrarotlichtimpulse aus. Anhand der Signallaufzeit
wird die Distanz bestimmt. Ist das vom Objekt reflektierte Licht
jedoch zu schwach, bzw. die Amplitude der Welle zu gering kann keine
Messung mehr erfolgen. Der Sensor bietet zwar die Möglichkeit die
ausgesandte Amplitude manuell festzulegen, dies reicht bei 100%
Leistung jedoch kaum aus um Distanzen über 20 Metern zu bestimmen.
An dieser Stelle weicht die Spezifikation stärkt von der Wirklichkeit
ab.
Die genannten Faktoren sind ausschlaggebend für den
Nachweis eines fähigen Messsystems, wodurch der Sensor nicht als
fähig klassifiziert werden kann. Die größte Problematik stellt hierbei
der variable Offset dar.
Die Messwerterfassungsfrequenz,
bzw. das Abrufen der Messwerte könnte beim Einsatz des Sensors so
optimiert werden, dass die Streuung verringert werden kann. Es bleibt
jedoch der unbekannte Offset Anteil durch Umgebungseinflüsse. Weiterhin
muss die Genauigkeit prozentual an die gemessene Distanz angepasst
werden um einen Fähigkeitsnachweis für gewisse Einsatzbereiche erbringen
zu können.
Ishikawa-Diwagramm
Als Folge der Messungen
und der Tests wurde das nachstehende Diagramm (Abb.22) erstellt. Es fasst
die Ursachen und Einflüsse, die auf die Messung wirken, zusammen.