25.11.2015 - VLab
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Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 2015-2016 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 2015-2016 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 2015-2016 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 2015-2016 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 2015-2016 Klassifikation von Sensoren • • • • • • • • Messgröβen Sensorprinzipien Herstellungstechnologie Signalformen, Schnittstellen Anwendungsbereiche Eigenschaften, Merkmale Güteklassen Kosten Mihaela Albu [email protected] Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 2015-2016 Klassifikation wichtiger Messgröβen: • • • • Mechanische Gröβen Thermische Gröβen Elektrische Gröβen Chemische und physikalische Gröβen Mihaela Albu [email protected] Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 2015-2016 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 2015-2016 Eigenschaften von Sensoren • • • • • • • Statisches Verhalten Dynamisches Verhalten Güteklassen, Messbereich Überlastbarkeit Kompatibilität zu nachfolgenden Komponenten Umwelteinflüsse Zuverlässigkeit Mihaela Albu [email protected] Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 2015-2016 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 2015-2016 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 2015-2016 Eine Umformung der zu messenden Größe in eine nichtelektrische Zwischengröße ist bei indirekten Messverfahren erforderlich. Mihaela Albu [email protected] Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 2015-2016 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 2015-2016 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 2015-2016 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 2015-2016 Widerstands-Meßbrückenschaltungen: a) Die selbstabgleichende Meßbrücke b) Die Brückenschaltung nach der Ausschlagsmethode Mihaela Albu [email protected] Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 2015-2016 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 2015-2016 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 2015-2016 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 2015-2016 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 2015-2016 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 2015-2016 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 2015-2016 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 2015-2016 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: r0 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 2015-2016 Induktive Meßfühler Differentialdrosseln 24/41 Mihaela Albu [email protected] Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 2015-2016 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 2015-2016 Induktive Meßfühler Differential-transformator 26/41 Mihaela Albu [email protected] Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 2015-2016 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] Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 2015-2016 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: r0 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 2015-2016 Induktive Meßfühler Differentialdrosseln 29/41 Mihaela Albu [email protected] Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 2015-2016 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 2015-2016 Induktive Meßfühler Differential-transformator 31/41 Mihaela Albu [email protected] Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 2015-2016 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] Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 2015-2016 Kapazitive Meßfühler Kapazitive Wegmeßsysteme - Industrielle Anwendungen: Ultrapräzisions-Materialbearbeitung, Optik •Höchste Auflösung aller erhältlichen Wegsensoren (<0,1 Nanometer). •15 bis 300 um Meßbereich. •Linearität besser als 0,05% durch Integrated Linearization System (ILS). •Extrem hohe Langzeitstabilität (< 0,1 nm/3 Stunden). •Bis zu 10 kHz Bandbreite. •Stand-Alone- und modulare Steuerelektronik. •Standardelektronik für Einsatz mit PI Piezotranslatoren/Piezo-Stellsystemen und Positions-Servo-Controllern. www.physikinstrumente.com Mihaela Albu [email protected] Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 2015-2016 Kapazitive Meßfühler Kapazitive Sensoren erkennen metallische und nichtmetallische Objekte Hohe EMV-Störfestigkeit Schaltabstand einstellbar Wegen des einfachen Aufbaus, der hohen Empfindlichkeit und der großen Störfestigkeit werden in der Automatisierungstechnik oft kapazitive Sensoren eingesetzt. Sie arbeiten berührungslos und erfassen metallische sowie nichtmetallische Objekte, die sich in festem oder flüssigem Zustand befinden können. Sie dienen der Füllstandsüberwachung, der Inhaltsüberprüfung an Abfüll- oder Verpackungsanlagen, dem Positionieren, Überwachen und Zählen von Objekten. http://www.betasensorik.de 34/41 Mihaela Albu [email protected] Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 2015-2016 Kapazitive Meßfühler. Mihaela Albu [email protected] Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 2015-2016 Kapazitive Meßfühler. Anwendungen. Kapazitive Längen-/Wegmessung Der physikalischeEffekt lässt sich bei einem Plattenkondensator durch eine einfache Beziehung beschreiben: C ist die Kapazität. Sie ist abhängig von der relativen Dielektrizitäts-konstanten εr, der absoluten Dielektrizitäts-konstanten ε0, der wirksame Fläche A und dem Abstand a. Sowohl der Abstand a, wie die gemeinsame Fläche A, wie auch die Dielektrizitätskonstante εr lassen sich durch Bewegungen beeinflussen. Die Kapazität kann mit Hilfe einer Brückenschaltung in ein Spannungssignal gewandelt werden. Mihaela Albu [email protected] Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 2015-2016 Kapazitive Meßfühler. Wird bei einem Plattenkondenstor der Platteabstand a vergrößert oder verkleinert, so ändert sich seine Kapazität C indirekt proportional zum Abstand. Das ergibt eine nichtlineare Kennlinie. Je kleiner der Abstand wird, um so stärker steigt die Kapazität an. ©Feingerätebau T.U.München 37/41 Mihaela Albu [email protected] Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 2015-2016 Kapazitive Meßfühler. Verschiebt man die Kondensatorplatten seitlich, so verändert sich die wirksame Fläche. Die Kapazität ändert sich direkt proportional zur Fläche. Damit ergibt sich bei rechteckigen Platten ein linearer Zusammenhang und die Empfindlichkeit ändert sich nicht beim Durchlaufen des Messbereichs. ©Feingerätebau T.U.München Mihaela Albu [email protected] Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 2015-2016 Kapazitive Meßfühler. So lässt sich beispielsweise der Flüssigkeitsstand einer leitenden Flüssigkeit sensieren, wenn man eine isolierte Elektrode einbringt. Als Gegenelektrode dient die Flüssigkeit selbst. Die Kondensatorfläche ist proportional zur Füllhöhe der Flüssigkeit. ©Feingerätebau T.U.München Mihaela Albu [email protected] Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 2015-2016 Kapazitive Meßfühler. ©Feingerätebau T.U.München Mihaela Albu [email protected] Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 2015-2016 Kapazitive Meßfühler. Eine Änderung Dielektrizitätskonstante ε lässt sich mit einer Längenänderung verknüpfen, wenn man ein zusätzliches Medium zwischen die Kondensatorplatten schiebt. Es ergibt sich je nach Stellung und Dielektrizitätskonstante des zusätzlichen Mediums eine wirksame mittlere Dielektrizitätskonstante. Zu dieser ist die Kapazität dann proportional. Mihaela Albu [email protected] Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 2015-2016 Kapazitive Meßfühler. Bei elektrisch nichtleitenden Flüssigkeiten kann man zwei Elektroden einbringen. Die wirksame Dielektrizitätskonstante schwankt abhängig vom Anteil der Flüssigkeit und der Luft im Kondensatorspalt. ©Feingerätebau T.U.München Mihaela Albu [email protected] Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 2015-2016 Kapazitive Meßfühler. ©Prof. Dr. Eike Rosenfeld, FH Merseburg Mihaela Albu [email protected] Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 2015-2016 Kapazitive Meßfühler. ©Prof. Dr. Eike Rosenfeld, FH Merseburg Mihaela Albu [email protected] Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 2015-2016 Kapazitive Meßfühler. ©Prof. Dr. Eike Rosenfeld, FH Merseburg Mihaela Albu [email protected] Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 2015-2016 Kapazitive Meßfühler. Meßgrößen kapazitiver Sensoren •mechanische Verschiebung •Schall und Ultraschall •statischer Druck •Beschleunigung •Flüssigkeitspegel •Dichte von Flüssigkeiten •Feuchtigkeit •Temperatur Mihaela Albu [email protected] Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 2015-2016 Kapazitive Meßfühler. Anwendungen Kapazitiver Beschleunigungssensor in Mikrosystemtechnik Mihaela Albu [email protected] Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 2015-2016 Kapazitive Meßfühler. Anwendungen prinzipieller Aufbau eines kapazitiven Feuchtesensors Mihaela Albu [email protected] Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 2015-2016 Kapazitive Meßfühler. Anwendungen Messsystem zur Erfassung der Kraftverteilung Die zebris Multifunktions-Kraftmess-platte arbeitet mit 1504 kapazitiven Kraftsensoren, die in einer Matrix von 32x47cm angeordnet sind. Sie ermöglicht die Analyse der statischen und dynamischen Kraft- und Druckverteilung unter den Füßen / Schuhen beim Stehen und Gehen. Die Einsatzgebiete liegen in der einfachen und schnellen Durchführung von dynamischen Abrollanalysen sowie statischen Belastungs-verteilungen. Diese können für die Ermittlung der Fußfunktion eingesetzt werden. Ebenso sind Feed-back- und Koordinationstraining mit spielerischen Übungen, sowie Gleichgewichtsanalysen möglich. Mihaela Albu [email protected] Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 2015-2016 Kapazitive Meßfühler. Anwendungen Messsystem zur Erfassung der Kraftverteilung www.zebris.de Mihaela Albu [email protected] Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 2015-2016 Kapazitive Meßfühler. Anwendungen http://www.electrosense.com.au/products.htm http://www.waycon.de/ http://www.waycon.de/induktiversensor.html http://www.waycon.de/linearpotentiometer.html http://archives.sensorsmag.com/articles/0102/29/ http://www.temperatures.com/csensors.html Mihaela Albu [email protected]
