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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 [email protected] 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 [email protected] Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 2014-2015 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 Mihaela Albu [email protected] Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 2014-2015 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. Mihaela Albu [email protected] Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 2014-2015 Klassifikation von Sensoren • • • • • • • • Messgröβen Sensorprinzipien Herstellungstechnologie Signalformen, Schnittstellen Anwendungsbereiche Eigenschaften, Merkmale Güteklassen Kosten Mihaela Albu [email protected] Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 2014-2015 Klassifikation wichtiger Messgröβen: • • • • Mechanische Gröβen Thermische Gröβen Elektrische Gröβen Chemische und physikalische Gröβen Mihaela Albu [email protected] Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 2014-2015 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 Mihaela Albu [email protected] Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 2014-2015 Eigenschaften von Sensoren • • • • • • • Statisches Verhalten Dynamisches Verhalten Güteklassen, Messbereich Überlastbarkeit Kompatibilität zu nachfolgenden Komponenten Umwelteinflüsse Zuverlässigkeit Mihaela Albu [email protected] Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 2014-2015 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 Mihaela Albu [email protected] Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 2014-2015 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 Mihaela Albu [email protected] Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 2014-2015 Eine Umformung der zu messenden Größe in eine nichtelektrische Zwischengröße ist bei indirekten Messverfahren erforderlich. Mihaela Albu [email protected] Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 2014-2015 Pasive Aufnehmer. Ohmsche Widerstands-Meßfühler Der Meßfühler-Widerstand: 1 l l R A A R R0 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 Mihaela Albu [email protected] Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 2014-2015 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 Mihaela Albu [email protected] Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 2014-2015 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. Mihaela Albu [email protected] Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 2014-2015 Widerstands-Meßbrückenschaltungen: a) Die selbstabgleichende Meßbrücke b) Die Brückenschaltung nach der Ausschlagsmethode Mihaela Albu [email protected] Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 2014-2015 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 Mihaela Albu [email protected] Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 2014-2015 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. Mihaela Albu [email protected] Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 2014-2015 b) Brückenschaltungen nach der Ausschlagsmethode : Viertelbrücke (quarter-bridge circuit) Zweiviertelbrücke Halbbrücke (half-bridge circuit) Vollbrücke (full-bridge circuit) Mihaela Albu [email protected] Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 2014-2015 Viertelbrücke an dem durch eine physikalische Meßgröße veränderten Mewiderstand R1’=R1+R1 entsteht die Spannungsabfall U1’ und dadurch die Diagonalspannung U5. Mihaela Albu [email protected] Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 2014-2015 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 Mihaela Albu [email protected] Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 2014-2015 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. Mihaela Albu [email protected] Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 2014-2015 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. Mihaela Albu [email protected] Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 2014-2015 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. Mihaela Albu [email protected] Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 2014-2015 Induktive Meßfühler Differentialdrosseln 24/41 Mihaela Albu [email protected] Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 2014-2015 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). Mihaela Albu [email protected] Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 2014-2015 Induktive Meßfühler Differential-transformator 26/41 Mihaela Albu [email protected] Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 2014-2015 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 [email protected]
