Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 2014-2015
Sensoren und Akt[uat]oren
Vorlesungen und Labor
Ingenieurswesen-Abteilung - FILS
(3-ten Semester)
Studienplan:
14 x 1 = 14 Stunden Vorlesung
14 x2 = 28 Stunden Labor - LabVIEW
Mihaela Albu
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Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 2014-2015
Vorlesungen-Schwerpunkte:
Elektrisches Messen nichtelektrischer Größen:
Ohmsche-, Induktive-, Kapazitive, Aktive- und
Piezoelektrische Meßfühler; Dehnungs- ,
Weg- und Temperaturmessung und damit
verbundenen Sensor-Aktor-Systeme.
Computergesteuerte Meßtechnik. Feldbussysteme
Mihaela Albu
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Stoffplan:
1.
Einleitung. Elektrische Messung nichtelektrischer Größen.
2.
Meßfühler. Übersicht über passive Aufnehmer-Prinzipien
3.
Meßfühler. Übersicht über aktive Aufnehmer-Prinzipien
4.
Sensoren für geometrische Meßgrößen und mechanische
Beanspruchung,
5.
Temperaturmessung
6.
Optische und Strahlung Sensoren
7.
Intelligente Sensorsysteme
8.
Aktoren
9.
Typische Sensoren und Aktoren der Robotik
10.
Feldbussysteme
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Aufnehmer
Mechanische, thermische, induktive, magnetische, kapazitive und
chemische Effekte können durch ihre Wirkung auf elektrische
Bauteile zur Messung nichtelektrischer Größen verwendet werden.
Dabei steuert (passiv) oder erzeugt (aktiv) die nichtelektrische
Größe das elektrische Signal des jeweiligen Aufnehmers, Gebers,
Fühlers, Detektors oder Sensors.
Passive Aufnehmer (parametrische Sensoren) sind auf eine
elektrische Energieversorgung angewiesen, aktive Aufnehmer
kommen hingegen ohne elektrische Hilfsenergie aus.
Der Aufnehmer wird charakterisiert durch den Zusammenhang
zwischen der gemessenen nichtelektrischen Größe und dem
abgegebenen elektrischen Signal. Dieser Zusammenhang kann in
Form einer Gleichung,einer Tabelle oder einer Kurve als
Kennlinie angegeben werden.
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Klassifikation von Sensoren
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Messgröβen
Sensorprinzipien
Herstellungstechnologie
Signalformen, Schnittstellen
Anwendungsbereiche
Eigenschaften, Merkmale
Güteklassen
Kosten
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Klassifikation wichtiger Messgröβen:
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Mechanische Gröβen
Thermische Gröβen
Elektrische Gröβen
Chemische und physikalische Gröβen
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Übersicht zur Klassifikation wichtiger Meβgrössen
Mechanische Gröβen
Geometrische Gröβen
Weg, Winkel, Füllstand, Neigung
Kinematische Gröβen
Geschwindigkeit,
Drehzahl,
Beschleunigung,Schwingung, Durchfluss
Beanspruchungsgröβen
Kraft, Druck, Drehmoment
Materialeigenschaften
Masse, Dichte, Viskosität
Akustische Gröβen
Schallgeschwindigkeit,
Schallfrequenz
Thermische Gröβen
Temperatur
Berührungstemperatur,
Strahlungstemperatur
Elektrische Gröβen
Elektrische Zustandsgröβen
Spannung, Strom, elektrische Leistung
Elektrische Parameter
Widerstand, Impedanz, Kapazität,
Induktivität
Feldgröβen
Magnetisches Feld, elektrisches Feld
Konzentration
pH–Wert, Feuchte, Wärmeleitung
Partikelgröβe
Schwebstoffgehalt, Staubgehalt
Molekülart
Gasmoleküle,Flüssigkeitsmoleküle,
Fetskörpermoleküle
Optische Gröβen
Intensität, Wellenlänge, Farbe
Chemische und physikalische
Gröβen
Schalldruck,
nach Isermann, 2008
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Eigenschaften von Sensoren
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Statisches Verhalten
Dynamisches Verhalten
Güteklassen, Messbereich
Überlastbarkeit
Kompatibilität zu nachfolgenden Komponenten
Umwelteinflüsse
Zuverlässigkeit
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Eigenschaften von Sensoren
Eigenschaften
Signalform
amplituden–analog
frequenz–analog
digital
Statische Genauigkeit
groβ
groβ
Begrenzt durch
Wortlänge
Dynamisches Verhalten
sehr schnell
begrenzt durch
Umsetzung
begrenzt durch
Abtastung
Störempfindlichkeit
mittel/groβ
gering
Gering
Galvanische Trennung
aufwändig
einfach(Überträger)
einfach(Optokoppler)
Anpassung an
digitalrechner
Analog–Digital–
Wandler
einfach (Frequenzzähler)
einfach
Rechneroperationen
sehr beschränkt
sehr beschränkt
einfach, wenn
Mikrorechner
nach Isermann, 2008
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Um die aufgelisteten Eingangs- und Ausgangsgrößen
miteinander zu verknüpfen sind sehr verschiedene
physikalische Effekte einsetzbar. Entsprechend
unterscheidet man kapazitive,induktive und resistive
Sensoren, piezoelektrische, magneto-resistive,
thermoelektrische und photoelektrische Sensoren und
Hallsensoren.
Sensoren können berührungslos oder berührend arbeiten,
sie können aktiv oder passiv sein
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Eine Umformung der zu messenden Größe in eine nichtelektrische Zwischengröße ist bei indirekten Messverfahren
erforderlich.
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Pasive Aufnehmer. Ohmsche Widerstands-Meßfühler
Der Meßfühler-Widerstand:
1 l
l
R   
 A
A
R  R0  1  0   0 


Bei direkter Beeinflussung des Meßfühlerswiderstand durch
physikalische Einflüsse kann R verändert werden:
mechanisch über die Länge l und/oder der Querschnitt A
thermisch über die Temperatur 
optisch über die Leitfähigkeit 
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Ohmsche Widerstands-Meßfühler
Die entstehende Widerstandsänderungen R von ohmschen
Meßfühlern werden in verschiedenen Meßschaltungen erfaßt:
Spannungsteiler-Meßschaltungen
Widerstands-Meßbrückenschaltungen
Meßschaltungen für Fernübertragung der Meßwerte
Kompensationsschaltungen
Widerstandsmessung mit Operationsverstärker
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Ohmsche Widerstands-Meßfühler
Spannungsteiler-Meßschaltungen:
unbelasteter Spannungsteiler
R0 = R1 +R2 mit dem Lastwiderstand R3 = 
konstante Speisespannung U0
die bezogene Teilspannung:
U2 =U0 (R2 /R0)
Die Kennlinie U2 =f (R2) ist
hierbei linear.
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Widerstands-Meßbrückenschaltungen:
a) Die selbstabgleichende Meßbrücke
b) Die Brückenschaltung nach der Ausschlagsmethode
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a) Die selbstabgleichende Meßbrücke:
- Die Diagonalspannung U5 treibt über den Verstärker V
den Nullmotor M so lange, bis dieser durch Verstellen
des Abgleichwiderstandes R den Abgleich bei U5 = 0 hergestellt
hat
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b) Die Brückenschaltung nach der Ausschlagsmethode :
-Messung von kleinen Widerstandsänderungen R/R
- Messung der Diagonalspannung mit dem Ausgabegerät AG
- um für den Nullabgleich, der zu Beginn jeder Messung
vorgenommen wird, nicht die Brückenwiderstände R1..R4
verändern zu müssen, ergäntzt man die Meßbrücke mit den
Abgleichwiderständen Ra und Rb.
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b) Brückenschaltungen nach der Ausschlagsmethode :
Viertelbrücke (quarter-bridge circuit)
Zweiviertelbrücke
Halbbrücke (half-bridge circuit)
Vollbrücke (full-bridge circuit)
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Viertelbrücke
an dem durch eine physikalische Meßgröße veränderten
Mewiderstand R1’=R1+R1 entsteht die Spannungsabfall U1’
und dadurch die Diagonalspannung U5.
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Vollbrücke
an der durch eine physikalische Meßgröße veränderten
Meßwiderstande R1’=R1+R1 ; R2’=R2-R2 ; R3’=R3-R3 und
R4’=R4+R4 entsteht die Diagonalspannung U5
R1  R2  R3  R4  R 
R  1  R / R 



 R  1  R / R   R  1  R / R  

U5  U0  
R  1  R / R 



 R  1  R / R   R  1  R / R 


U5 
R
U 0
R
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Aufgabe (http://www.schiessle.de/)
Ein häufig in der Praxis auftretendes Problem ist die Fehldiagnose in Messbrückenschaltungen
mit Dehnmessstreifen (DMS), d. h. das Erkennen von unterbrochenen Brückenzweigen, wenn
die Leitungen der Brückenschaltung nicht markiert sind.
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Aufgabe (http://www.schiessle.de/)
Die nachfolgende Tabelle zeigt die Messungen der DMS-Widerstände in den vier
Brückenzweigen, unter der Voraussetzung, dass keine Hilfsschaltungen angeschlossen sind und
keine Speisespannung anliegt.
Anschlüsse
DMSWiderstandswerte
A-B
C-D
A-C
A-D
B-D
B-C
240W
240 W
120 W
120 W
120 W
360 W
a) Bestimmen Sie, mit Hilfe der in der Tabelle zusammengestellten Messungen, den
unterbrochenen DMS
bzw. DMS-Zweig.
b) Kennzeichnen Sie den unterbrochenen DMS-Zweig (mit der Farbe Blau) in der oben
dargestellten
DMS-Brückenschaltung.
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Induktive Meßfühler
Für die Induktivität einer Drossel mit der Windungszahl N, dem
magnetischen Leitwert , sowie der Permeabilität µ, dem
Querschnitt A und der Länge l des magnetischen Kreises gilt:
r 0 A
L  N   N
l
2
2
der Querschnitt A, die Länge l des magnetischen Kreises
und die relative Permeabiltät µr.
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Induktive Meßfühler
Differentialdrosseln
24/41
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Induktive Meßfühler
Differentialdrosseln mit Quer- oder Längsanker nach Bild 3
ergeben in Meßbrückenschaltungen bei symmetrischer
Mittellage des Ankers vor Beginn der Messung die
Abgleichdiagonalspannung U =0. Bei Verschieben des Ankers
in Achsenrichtung steigt die Spannung U infolge Unsymmetrie
mit positiven bzw. negativen Werten an. Im Nutzbereich
besteht eine ungefähr lineare Kennlinie U = f(s).
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Induktive Meßfühler
Differential-transformator
26/41
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Induktive Meßfühler
Differentialtransformator hat eine von einer Trägerfrequenzoder Netzspannung U1 gespeiste Primärspule und zwei
gegeneinander geschaltete Sekundärspulen, worin je nach
Stellung des Eisenkerns zwei entgegengesetzte, gleich oder
verschieden große Wechselspannungen U'2 und U''2 induziert
werden.
Die Meßfühler-Sekundärspannung : U2 = U'2-U''2
wird an den Eingang einer Anpaßschaltung gegeben. Die
Primär- und Sekundärspulen können nebeneinander oder
übereinander angeordnet sein und sind in der Schaltung
vertauschbar.
Mihaela Albu
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