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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.Intelligente Sensorsysteme 6.Aktoren 7.Typische Sensoren und Aktoren der Robotik 8. 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.Intelligente Sensorsysteme 6.Aktoren 7.Typische Sensoren und Aktoren der Robotik 8. Feldbussysteme

3 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren Aufnehmer zur Beschleunigungmessung Beschleuninung: translatorisch (a) oder rotatorisch (n) A. Messung translatorischer Beshleunigung Beschleuningungsaufnehmer (accelerometer) nach dem Newtonschen Prinzip Kraftmessung (F=ma): es wird die Kraft gemessen, die aufgrund der Beschleunigung auf eine Probemasse (seismische Masse) ausgeübt wird. Technisch: Ausschlag -Beschleunigungsaufnehmer (open-loop-technique) Kompensations -Beschleunigungsaufnehmer (closed-loop- technique)

4 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren A. Messung translatorischer Beshleunigung A1. Ausschlag -Beschleunigungsaufnehmer (open-loop-technique) bestehen aus einer Feder-Masse-Dämpfer-Anordnung. a--> die Kraft wirkt auf eine seismische Masse-->die Feder ausgelenkt -- >die Auslenkung wird sensorisch erfaßt Robustheit;Ueberlastfestigkeit; hohe Bandbreite; geringe Fertigungskosten; aber hohe Linearität nur für kleine Meßbereiche. Prinzipiell: man braucht ein Sensor, mit dem die Relativbewegung zwischen der seismischen Masse und dem Gehäuse des Beschleunigungsaufnehmers zu messen

5 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren A. Messung translatorischer Beshleunigung A1. Ausschlag -Beschleunigungsaufnehmer (open-loop-technique) [nach Hinüber, in Automatisierungstechnik, H.-J. Gevatter (Hrsg.), Springer 2000]

6 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren A1. Ausschlag -Beschleunigungsaufnehmer A1.1. Passive Beschleunigungsaufnehmer die durch die Beschleunigungskraft verursachte Auslenkung der seismischen Masse wird durch ein wegsystem in eine elektrische Größe umgesetzt. -->ohmsche Wegaufnehmer: metallene oder Halbleiter DMS in Halb- oder Volbrückenschaltung; piezorezistive Aufnehmer (a-->F-->Widerstandsänderung in einem speziellen Halbleitermaterial. -->induktive Wegaufnehmer (sehr hohe Meßempfindlichkeit) -->kapazitive Wegaufnehmer alle sind passive Beschleunigungsaufnehmer --> wird eine Hilfsenergie erfordert!

7 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren /47 A1. Ausschlag -Beschleunigungsaufnehmer A1.1. Passive Beschleunigungsaufnehmer. Beispiel: Mikromechanische Sensoren (in großen Stückzahlen: kostengünstig!). im Bild [nach Hinüber]: die seismische Masse ist anisotrop aus einem Siliziumsubstrat herausgesetzt; Wegmessung: mit einem Differentialkondensator; [nach Hinüber, in Automatisierungstechnik, H.-J. Gevatter (Hrsg.), Springer 2000]

8 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren A1. Ausschlag -Beschleunigungsaufnehmer A1.2. Aktive Beschleunigungsaufnehmer Piezoelektrische Beschleunigungsaufnehmer: a-->Druckkraft auf piezoelektrischen Wandler -->elektrische Ladung erzeugt -->spezielle Ladungsvestärker (mit hinreichend großen Eingangswiderstand) Frequenzband: 0.2 [2] Hz...bis 10 kHz (i.e. hochfrequente Vorgänge); zur Messung statischer Beschleunigungen: nicht geeignet! (die Ladung nimmt über der Zeit exponentiell ab!) aufgrund der hohen Steifigkeit der Piezokeramik --> nur eine geringe Wegauskenkung (bis  m) --> die Sensoren entziehen dem Meßobjkekt nur extrem wenig Hilfsenergie --> arbeiten rückwirkungsfrei; große Bandbreite + niedriges Gewicht + geringe Abmessungen -- >Anwendungen im Messen von Vibrationen und Stoßvorgänge

9 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren A1. Ausschlag -Beschleunigungsaufnehmer A1.3. Schwingstab Beschleunigungsaufnehmer Beispiel: (mikromechanische!) - [nach Hinüber, in Automatisierungstechnik, H.-J. Gevatter (Hrsg.), Springer 2000] Das frei schwingende Pendel (f 0 ) wird nach oben beshleunigt (a x ), so ändert sich seine Frequenz: f x

10 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren A2. Beschleunigungsaufnehmer nach dem Kompensationsverfahren (Servobeschleunigungsaufnehmer) zusätzlich: ein Stellglied mit dem eine Kompensationskraft auf die seismische Masse aufgebracht werden kann. (aber warum ist das Ausschlagsverfahren ungeignet? Das Hooksche Gesetz gilt [linear!] nur für sehr kleine Auslenkungen; man braucht eine sehr hohe Meßdynamik für den Wegmeßsystem (Beispiel: Beschleunigungsmeßbereich von 20 m/s 2 mit einer Auflösung von 5  m/s 2 --> Wegmeßsystem mit 7 Dekaden notwendig!) die sensitive Masse müßte über den gesamten Verschiebungsbereich nahezu reibungsfrei gelagert sein

11 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren A2. Beschleunigungsaufnehmer nach dem Kompensationsverfahren (Servobeschleunigungsaufnehmer) zusätzlich: ein Stellglied mit dem eine Kompensationskraft auf die seismische Masse aufgebracht werden kann.  s aus der Nullage-->Wegaufnehmer-->Verschiebungssignal-->integrierter Servo-Verstärker-->elektromagnetisch arbeitender Stellglied -->die seismische Masse unmitellbar wieder in die Ruhelage gezwungen wird. [nach Hinüber, in Automatisierungstechnik, H.-J. Gevatter (Hrsg.), Springer 2000]

12 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren A2. Beschleunigungsaufnehmer Typische Daten [nach Hinüber, in Automatisierungstechnik, H.-J. Gevatter (Hrsg.), Springer 2000]

13 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren B. Auhnehmer für rotatorische Beschleunigungen Zur Messung absoluter Drehbewegungen: Kreisel [gyroskope] B1. Mechanische Kreisel - Drallsatz Funktionsprinzip: Drehimpulsergerhaltungssatz: eine von außen aufgeprägte Rotation des Kreisels mit der Drehrate, die senkrecht zur Drehachse der mit dem Drehimpuls H rotierenden Kreisel Schwungmasse wirkt, erzeugt ein Moment M a, das senkrecht zu  k und H gerichtet ist: M a = H  k. Bei technischen Kreiseln ist das Moment der zu messenden Drehrate proportional. [nach Hinüber, in Automatisierungstechnik, H.-J. Gevatter (Hrsg.), Springer 2000]

14 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren B. Auhnehmer für rotatorische Beschleunigungen Zur Messung absoluter Drehbewegungen: Kreisel [gyroskope] B2. Optische Kreisel - Sagnac-Effekt Funktionsprinzip: das Sagnac-Effekt; große Bandbreite; großer Meßbereich; Interferometrischer Faserkreisel (fiber optical gyro) Ringlaserkreisel (ring laser gyro) [nach Hinüber, in Automatisierungstechnik, H.-J. Gevatter (Hrsg.), Springer 2000]

15 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren B. Auhnehmer für rotatorische Beschleunigungen B2.1. Interferometrischer Faserkreisel (fiber optical gyro) [nach Hinüber, in Automatisierungstechnik, H.-J. Gevatter (Hrsg.), Springer 2000] Lichtemitterender Halbleiterlaser oder Superluminiszenzdiode;Strahlleiter;Modulator;Gl asfaserspule mit nWindungen und effektive Fläche A;Interferenzdetektor. Das Licht (Wellenlänge ) wird in zwei Lichtbündel geteilt, die beide die Faser durchlaufen: einer verläuft im Uhrzeigersinn und der ander entgegen dem Uhrzeigersinn. Rotiert die gesamte Anordnung um den Normalenvektor der Fasenspulenebene mit der Drehrate , so verkürzt sich der Weg für das eine Lichtbündel, während sich für das andere verlängert -->die Phasenverschiebung zwischen den beiden Lichtwellenzügen wird vom Interferenzdetektor erkannt als Maß für .

16 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren B. Auhnehmer für rotatorische Beschleunigungen B3. Magnetohydrodinamische Kreisel (rein passiver Winkel- beschleuningungsaufnehmer) [nach Hinüber, in Automatisierungstechnik, H.-J. Gevatter (Hrsg.), Springer 2000] Ein elektrisch leitendes Fluid hoher Dichte ist in einem Torus eubgeschlosssen, der an seiner Innen- und seiner Außenfläche Elektroden trägt. Der Torus wird in axialer Richtung von einem konstanten Magnetfeld durchsetzt. Wird der Torus um die Axialrichtung winkelbeschleunigt --> Lorentzkraft --> das elektrisches Feld wird zwischen den Elektroden erzeugt, das proportional der Winkelbeschleunigung ist.

17 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren Geschwindigkeitsmessung Niedrige Geschwindigkeiten (mm/min) : das elektrodynamische Prinzip: ein langestreckter Permanentmagnet wird durch eine ihn umschließende Tauchspule geführt. --> u(t): Berührrungslose Geschwindigeitsmessung: Verfahren nach dem Dopplereffekt Ortsfrequenz-Filterverfahren; Laufzeitkorrelationsverfahren;

18 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren Geschwindigkeitsmessung. Dopplerverfahren [nach Hinüber, in Automatisierungstechnik, H.-J. Gevatter (Hrsg.), Springer 2000] v eines bewegten Körpers erfolgt aus der Zeit, die der Körper braucht, um eine definierte Wehstrecke zu durchlaufen. Es ist nicht möglich die Meßstrecke festzulegen --> v wird unter der Ausnutzung des Doppler-Effekts bestimmen: der Körper wird als Schallquelle wirken und nicht nur ein Geräusch, sondern auch einen oder mehrere Töne gleichseitig aussendet.

19 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren Geschwindigkeitsmessung. Dopplerverfahren [nach Hinüber, in Automatisierungstechnik, H.-J. Gevatter (Hrsg.), Springer 2000] Die bewegte Schallqwelle liefert ein Signal mit der Frequenz f 1 wenn sie sich auf einen ruhenden Beobachter zubewegt und ein Signal mit der Frequenz f 2 wenn sie sich von ihm wegbewegt. Sei f die von der Schallqwelle erzeugte Frequenz (in Ruhe), v ihre Geschwindigkeit und c die Schallgeschwindigkeit im umgebenden Medium:-->

20 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren Geschwindigkeitsmessung. Laufzeitkorrelationsverfahren [nach Hinüber, in Automatisierungstechnik, H.-J. Gevatter (Hrsg.), Springer 2000] Geschwindigkiet: aus der Laufzeitmessung

21 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren Geschwindigkeitsmessung. Laufzeitkorrelationsverfahren Geschwindigkiet: aus der Laufzeitmessung; typischen Aufbau: 2 Aufnehmer, die in einem bekanten Abstand s hintereinander in v Richtung angeordnet sind; zufällige Anderungen der Oberfläcjenegenschaften des bewegten Objekt-->Rauschsignale (Temperatur; optisches Reflexionsvermögen; Dichte; elektrische Leitfähigkeit etc.) --> Kreuzkorrelationsfunktion der stochastischen Eingangssignale -->der Hauptmaximum wird bestimmt --> der Prozeßlaufzeit T 0 --> Meßverfahren: optische Sensoren; induktive Sensoren; thermische Sensoren;

22 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren Digitale Winkelgeschwindigkeitsmessung. Optische Inkremental-Geber [nach Hinüber, in Automatisierungstechnik, H.-J. Gevatter (Hrsg.), Springer 2000]

23 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren Längen und Winkel Messung A. Analoge Verfahren A1. Parametrische Sensoren Meßgröße x --> in einer komplexe Impedanz abgebildet der passive Signalparameter (R, L, C) + Hilfsenergie (ac oder dc)--> aktives Signal (i oder u) Potentiometrische Sensoren; Typische daten: Meßweg  x: 1… 30cm; Auflösung 1 mm; Nichtlinearität  =1%FS; Nachteil: Berührung des Meßobjektes; Reibung; Korrosion; hohe Leistungsaufnahme Beispiel: Planarpotentiometer mit nichtlinearer Charakteristik [nach Bether, in Automatisierungstechnik, H.-J. Gevatter (Hrsg.), Springer 2000]

24 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren Längen und Winkel Messung A. Analoge Verfahren A1. Parametrische Sensoren Induktive Sensoren; Typische daten: Meßweg  x: 0.1… 10cm; Auflösung 1 nm; Nichtlinearität  =1%FS; Nachteil: Speisung mit Wechselspnnung; erhebliche Nichtlinearität; mäßige Signalleistung Beispiel: Zylinderspule mit ferromagnetischem Tauchanker [nach Bether, in Automatisierungstechnik, H.-J. Gevatter (Hrsg.), Springer 2000]

25 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren Längen und Winkel Messung A. Analoge Verfahren A1. Parametrische Sensoren Kapazitive Sensoren; Typische daten: Meßweg  x: 0.1… 3cm; Auflösung 0.1 nm; Nichtlinearität  =1%FS; Nachteil: Speisung mit Wechselspnnung; erhebliche Nichtlinearität; geringe Signalleistung Beispiel: Koaxialer Differentialkondensator [nach Bether, in Automatisierungstechnik, H.-J. Gevatter (Hrsg.), Springer 2000]

26 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren Längen und Winkel Messung A. Analoge Verfahren A2. Modulatorische Sensoren Beispiel: Modulation des Übertragungsmaßes U [nach Bether, in Automatisierungstechnik, H.-J. Gevatter (Hrsg.), Springer 2000] Die Meßgröße x verändert (moduliert) die Intensität einer Signalübertragung von einem Sender S zu einem Empfänger E. Die Energie des Ausgangssignals entnimmt entweder dem Sender P H (S) oder wird aus einer Empfänger – Hilfsenergie P H (E) gewonnen.

27 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren Längen und Winkel Messung A. Analoge Verfahren A2. Modulatorische Sensoren Transformator prinzip Beispiel: Geometriemessung durch Vierpole: Transformator. [nach Bether, in Automatisierungstechnik, H.-J. Gevatter (Hrsg.), Springer 2000] Die Kopplung zwischen Primärwicklung und Sekundärwicklung wird durch Variation des Spulenabstandes bzw. der Position des Magnetkernes oder durch Verdrehen des Spulenachsen gegeneinander verändert  ändert sich die Amplitude der sekundärseitig induzierten Ausgangsspannung

28 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren Längen und Winkel Messung A. Analoge Verfahren A2. Modulatorische Sensoren. Transformator prinzip. Ausführungsformen: Beispiel: Differentialtransformator. [nach Bether, in Automatisierungstechnik, H.-J. Gevatter (Hrsg.), Springer 2000] Der Differentialtransformator (linear variable differential transformator, LVDT) Primärspannung  zwei gegenphasige Spannungen induziert werden; bei mittiger Kernlage (x=0) summieren sie zum Wert Null.

29 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren Längen und Winkel Messung A. Analoge Verfahren A2. Modulatorische Sensoren. Transformator prinzip. Ausführungsformen: Beispiel: Induktosyn (linearer Wegmeßsystem). [nach Bether, in Automatisierungstechnik, H.-J. Gevatter (Hrsg.), Springer2000] Inductosyn (transformatorischer Inkrementalaufnehmer) Ein mäanderförmiger Primärleiter induziert in zwei Empfangswicklungen (die Mäanderabschnitte II und III) Spannungen, die bei Verschiebung der beiden Systeme gegeneinander ein periodisches Signal liefern.

30 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren Längen und Winkel Messung A. Analoge Verfahren A2. Modulatorische Sensoren. Binäre Erfasung: Hall Schalter

31 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren Längen und Winkel Messung A. Analoge Verfahren A2. Modulatorische Sensoren. Binäre Erfasung: Hall Schalter

32 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren Längen und Winkel Messung A. Analoge Verfahren A2. Modulatorische Sensoren. Optische Sensoren Beispiel: Geometriemessung durch Vierpole: Photodetektor. [nach Bether, in Automatisierungstechnik, H.-J. Gevatter (Hrsg.), Springer 2000]

33 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren Längen und Winkel Messung B. Laufzeitverfahren. B1. FM und AM-Radar Verfahren Beispiel: Abstandsmessung durch FM-CW Radar [nach Bether, in Automatisierungstechnik, H.-J. Gevatter (Hrsg.), Springer 2000]

34 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren Längen und Winkel Messung B. Laufzeitverfahren. B1. FM und AM- Radar Verfahren Beispiel: Abstandsmessung durch FM-CW Radar [nach Bether, in Automatisierungstechnik, H.-J. Gevatter (Hrsg.), Springer 2000]

35 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren Aufgabe In der nachfolgenden Abbildung ist der prinzipielle Messaufbau einer optoelektronischen Längenmesseinrichtung dargestellt, wobei sich die Messobjekte immer mit konstanter Geschwindigkeit über die Messunterlage bewegen. Messeinrichtung: Beschreiben Sie, in kurzen Sätzen, wie mit dem oben dargestellten Messaufbau eine optoelektronische Längenmessung, an dem mit konstanter Geschwindigkeit v bewegten Messobjekt, möglich ist. Die Geschwindigkeit v des Messobjektes ist nicht bekannt. Hinweis: Durch die optoelektronische Messeinrichtung und die zugehörige Signalverarbeitungselektronik wird erkannt, zu welchen Zeitpunkten die Kante A und B des Messobjektes P1(x=0), P2(x=l v ) und P3(x=l N ) passieren. Sie können aus den gemessenen Laufzeiten die Länge l M des Messobjektes bestimmen.

36 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren Aufgabe Beschreiben Sie, in kurzen Sätzen, wie mit dem oben dargestellten Messaufbau eine optoelektronische Längenmessung, an dem mit konstanter Geschwindigkeit v bewegten Messobjekt, möglich ist. Die Geschwindigkeit v des Messobjektes ist nicht bekannt. Hinweis: Durch die optoelektronische Messeinrichtung und die zugehörige Signalverarbeitungselektronik wird erkannt, zu welchen Zeitpunkten die Kante A und B des Messobjektes P1(x=0), P2(x=l v ) und P3(x=l N ) passieren. Sie können aus den gemessenen Laufzeiten die Länge l M des Messobjektes bestimmen.


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