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

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

Stoffplan: 1. Einleitung. Elektrische Messung nichtelektrischer Größen 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

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.

Klassifikation von Sensoren •. Messgröβen •. Sensorprinzipien • Klassifikation von Sensoren • Messgröβen • Sensorprinzipien • Herstellungstechnologie • Signalformen, Schnittstellen • Anwendungsbereiche • Eigenschaften, Merkmale • Güteklassen • Kosten

Klassifikation wichtiger Messgröβen: •. Mechanische Gröβen • Klassifikation wichtiger Messgröβen: • Mechanische Gröβen • Thermische Gröβen • Elektrische Gröβen • Chemische und physikalische Gröβen

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, Schalldruck, 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 Chemische und physikalische Gröβen Konzentration pH–Wert, Feuchte, Wärmeleitung Partikelgröβe Schwebstoffgehalt, Staubgehalt Molekülart Gasmoleküle,Flüssigkeitsmoleküle, Fetskörpermoleküle Optische Gröβen Intensität, Wellenlänge, Farbe nach Isermann, 2008

Eigenschaften von Sensoren •. Statisches Verhalten • Eigenschaften von Sensoren • Statisches Verhalten • Dynamisches Verhalten • Güteklassen, Messbereich • Überlastbarkeit • Kompatibilität zu nachfolgenden Komponenten • Umwelteinflüsse • Zuverlässigkeit

Eigenschaften von Sensoren Signalform amplituden–analog frequenz–analog digital Statische Genauigkeit 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 einfach, wenn Mikrorechner nach Isermann, 2008

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

Eine Umformung der zu messenden Größe in eine nicht-elektrische Zwischengröße ist bei indirekten Messverfahren erforderlich.

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 

Widerstands-Meßbrückenschaltungen 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

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.

Widerstands-Meßbrückenschaltungen: a) Die selbstabgleichende Meßbrücke b) Die Brückenschaltung nach der Ausschlagsmethode

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

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.

b) Brückenschaltungen nach der Ausschlagsmethode : Viertelbrücke (quarter-bridge circuit) Zweiviertelbrücke Halbbrücke (half-bridge circuit) Vollbrücke (full-bridge circuit)

Viertelbrücke an dem durch eine physikalische Meßgröße veränderten Mewiderstand R1’=R1+R1 entsteht die Spannungsabfall U1’ und dadurch die Diagonalspannung U5.

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

Aufgabe (http://www. schiessle 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.

Aufgabe (http://www. schiessle 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 A-B C-D A-C A-D B-D B-C DMS- Widerstandswerte 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.

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 µr.

Induktive Meßfühler Differentialdrosseln

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).

Induktive Meßfühler Differential-transformator

Induktive Meßfühler Differentialtransformator hat eine von einer Trägerfrequenz- oder 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.