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Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 2014-2015 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 - LabVIEW

2 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 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

3 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren Stoffplan: 1.Einleitung. 2.Meßfühler. 3.Meßfühler. 4.Sensoren 5.Temperaturmessung 6.Optische und Strahlung Sensoren 7.Intelligente Sensorsysteme 8.Aktoren 9.Typische Sensoren und Aktoren der Robotik 10. Feldbussysteme 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

4 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren Kennlinie 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.

5 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren Klassifikation von SensorenMessgröβenSensorprinzipienHerstellungstechnologieSignalformen, SchnittstellenAnwendungsbereicheEigenschaften, MerkmaleGüteklassenKosten

6 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren Klassifikation wichtiger Messgröβen:Mechanische GröβenThermische GröβenElektrische GröβenChemische und physikalische Gröβen

7 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren Übersicht zur Klassifikation wichtiger Meβgrössen Mechanische GröβenGeometrische GröβenWeg, Winkel, Füllstand, Neigung Kinematische GröβenGeschwindigkeit, Drehzahl, Beschleunigung,Schwingung, Durchfluss BeanspruchungsgröβenKraft, Druck, Drehmoment MaterialeigenschaftenMasse, Dichte, Viskosität Akustische GröβenSchallgeschwindigkeit, Schalldruck, Schallfrequenz Thermische GröβenTemperaturBerührungstemperatur, Strahlungstemperatur Elektrische GröβenElektrische ZustandsgröβenSpannung, Strom, elektrische Leistung Elektrische ParameterWiderstand, Impedanz, Kapazität, Induktivität FeldgröβenMagnetisches Feld, elektrisches Feld Chemische und physikalische Gröβen KonzentrationpH–Wert, Feuchte, Wärmeleitung PartikelgröβeSchwebstoffgehalt, Staubgehalt MolekülartGasmoleküle,Flüssigkeitsmoleküle, Fetskörpermoleküle Optische GröβenIntensität, Wellenlänge, Farbe nach Isermann, 2008

8 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren Eigenschaften von SensorenStatisches VerhaltenDynamisches VerhaltenGüteklassen, MessbereichÜberlastbarkeitKompatibilität zu nachfolgenden KomponentenUmwelteinflüsseZuverlässigkeit

9 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren Eigenschaften von Sensoren nach Isermann, 2008 EigenschaftenSignalform amplituden–analogfrequenz–analogdigital Statische Genauigkeitgroβ Begrenzt durch Wortlänge Dynamisches Verhaltensehr schnellbegrenzt durch Umsetzung begrenzt durch Abtastung Störempfindlichkeitmittel/groβgeringGering Galvanische Trennungaufwändigeinfach(Überträger)einfach(Optokoppler) Anpassung an digitalrechner Analog–Digital– Wandler einfach (Frequenzzähler)einfach Rechneroperationensehr beschränkt einfach, wenn Mikrorechner

10 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 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

11 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren Eine Umformung der zu messenden Größe in eine nicht- elektrische Zwischengröße ist bei indirekten Messverfahren erforderlich.

12 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren Pasive Aufnehmer. Ohmsche Widerstands-Meßfühler Der Meßfühler-Widerstand: 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 

13 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 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

14 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren Spannungsteiler-Meßschaltungen: Ohmsche Widerstands-Meßfühler Spannungsteiler-Meßschaltungen: unbelasteter Spannungsteiler R 0 = R 1 +R 2 mit dem Lastwiderstand R 3 =  konstante Speisespannung U 0 die bezogene Teilspannung: U 2 =U 0 (R 2 /R 0 ) Die Kennlinie U 2 =f (R 2 ) ist hierbei linear.

15 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren : Widerstands-Meßbrückenschaltungen: a) Die selbstabgleichende Meßbrücke b) Die Brückenschaltung nach der Ausschlagsmethode

16 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren a) Die selbstabgleichende Meßbrücke: - Die Diagonalspannung U 5 treibt über den Verstärker V den Nullmotor M so lange, bis dieser durch Verstellen des Abgleichwiderstandes R den Abgleich bei U 5 = 0 hergestellt hat

17 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 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 R 1..R 4 verändern zu müssen, ergäntzt man die Meßbrücke mit den Abgleichwiderständen R a und R b.

18 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren b) Brückenschaltungen nach der Ausschlagsmethode : Viertelbrücke (quarter-bridge circuit) Zweiviertelbrücke Halbbrücke (half-bridge circuit) Vollbrücke (full-bridge circuit)

19 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren Viertelbrücke an dem durch eine physikalische Meßgröße veränderten Mewiderstand R 1 ’=R 1 +  R 1 entsteht die Spannungsabfall U 1 ’ und dadurch die Diagonalspannung U 5.

20 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren Vollbrücke an der durch eine physikalische Meßgröße veränderten Meßwiderstande R 1 ’=R 1 +  R 1 ; R 2 ’=R 2 -  R 2 ; R 3 ’=R 3 -  R 3 und R 4 ’=R 4 +  R 4 entsteht die Diagonalspannung U 5

21 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 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.

22 Mihaela Albu Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 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. AnschlüsseA-BC-DA-CA-DB-DB-C DMS- Widerstandswerte 240  240  120  120  120  360  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.

23 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.

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

25 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).

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

27 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.


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