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Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 2013-2014 Sensoren und Akt[uat]oren Sensoren und Akt[uat]oren Vorlesungen und Labor.

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1 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren Sensoren und Akt[uat]oren 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

2 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren Stoffplan: 1.Einleitung. 2.Meßfühler..Sensoren.Temperaturmessung 5.Optische und Strahlung Sensoren.Intelligente Sensorsysteme 7.Aktoren 8.Typische Sensoren und Aktoren der Robotik 9. Feldbussysteme Stoffplan: 1.Einleitung. Elektrische Messung nichtelektrischer Größen. 2.Meßfühler. Übersicht über passive und aktive Aufnehmer- Prinzipien. Messchaltungen. 3.Sensoren für geometrische Meßgrößen und mechanische Beanspruchung, 4.Temperaturmessung 5.Optische und Strahlung Sensoren 6.Intelligente Sensorsysteme 7.Aktoren 8.Typische Sensoren und Aktoren der Robotik 9. Feldbussysteme

3 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 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: der Querschnitt A, die Länge l des magnetischen Kreises und die relative Permeabiltät µ r.

4 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren /41 Induktive Meßfühler Differentialdrosseln

5 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 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).

6 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren /41 Induktive Meßfühler Differential-transformator

7 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren Induktive Meßfühler Differentialtransformator hat eine von einer Trägerfrequenz- oder Netzspannung U 1 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 : U 2 = 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.

8 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 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.

9 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren /41 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.

10 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren Kapazitive Meßfühler.

11 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 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 ε r, der absoluten Dielektrizitäts-konstanten ε 0, der wirksame Fläche A und dem Abstand a. Sowohl der Abstand a, wie die gemeinsame Fläche A, wie auch die Dielektrizitätskonstante ε r lassen sich durch Bewegungen beeinflussen. Die Kapazität kann mit Hilfe einer Brückenschaltung in ein Spannungssignal gewandelt werden.

12 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren /41 Kapazitive Meßfühler. ©Feingerätebau T.U.München Wird bei einem Platten- kondenstor der Platte- abstand 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.

13 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren Kapazitive Meßfühler. ©Feingerätebau T.U.München 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.

14 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren Kapazitive Meßfühler. ©Feingerätebau T.U.München 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.

15 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren Kapazitive Meßfühler. ©Feingerätebau T.U.München

16 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 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 Dielektrizitäts- konstante des zusätzlichen Mediums eine wirksame mittlere Dielektrizitätskonstante. Zu dieser ist die Kapazität dann proportional.

17 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren Kapazitive Meßfühler. ©Feingerätebau T.U.München Bei elektrisch nichtleitenden Flüssigkeiten kann man zwei Elektroden einbringen. Die wirksame Dielektrizitäts- konstante schwankt abhängig vom Anteil der Flüssigkeit und der Luft im Kondensatorspalt.

18 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren Kapazitive Meßfühler. © Prof. Dr. Eike Rosenfeld, FH Merseburg

19 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren Kapazitive Meßfühler. © Prof. Dr. Eike Rosenfeld, FH Merseburg

20 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren Kapazitive Meßfühler. © Prof. Dr. Eike Rosenfeld, FH Merseburg

21 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren Kapazitive Meßfühler. Meßgrößen kapazitiver Sensoren mechanische Verschiebung Schall und Ultraschall statischer Druck Beschleunigung Flüssigkeitspegel Dichte von Flüssigkeiten Feuchtigkeit Temperatur

22 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren Kapazitive Meßfühler. Anwendungen Kapazitiver Beschleunigungssensor in Mikrosystemtechnik

23 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren Kapazitive Meßfühler. Anwendungen prinzipieller Aufbau eines kapazitiven Feuchtesensors

24 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 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.

25 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren Kapazitive Meßfühler. Anwendungen Messsystem zur Erfassung der Kraftverteilung

26 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren Kapazitive Meßfühler. Anwendungen


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