Sensoren und Akt[uat]oren Vorlesungen und Labor Ingenieurswesen-Abteilung - FILS (3-ten Semester) Studienplan: 14 x 1 = 14 Stunden Vorlesung 14 x2.

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1 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 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 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, Temperaturmessung 6. Optische und Strahlung Sensoren 7. Intelligente Sensorsysteme 8. Aktoren Typische Sensoren und Aktoren der Robotik Feldbussysteme

4 Labor: 28 Praktikum Stunden vorgesehen: 18 Stunden <--> Einführung im LabVIEW Klausur 10 Stunden <--> LabVIEW Anwendungen und Versuche: DMS zur Kraft- und Dehnungsmessung, Differentialtransformator zur Wegmessung, Temperatur-Messung; Khepera Robot Control; Klausur Alle Versuchsaufgaben werden auf dem Internet verfügbar.

5 Literaturverzeichnis [1]
Literaturverzeichnis [1] Rolf Isermann, Mechatronische Systeme: Grundlagen (Taschenbuch, 2007) [2] Niebuhr, Lindner, Physikalische Messtechnik mit Sensoren, Oldenbourg, 2002 [3] Armin Schöne, Meßtechnik, Springer Verlag, 1997 [4] Hans Jürgen Gevatter, Hrsg., Automatisierungstechnik 1, Meß- und Sensortechnik, Springer, [5] Elmar Schrüfer, Elektrische Meßtechnik, Hanser, [6] B. Pantelimon, C. Iliescu: Masurarea electrica a marimilor neelectrice, Tritonic, Bucuresti, 1995 [7]

6 Schätzung der Studenten Kentnisse und Aktivität: Prüfung (Januar 2008): 40% Teste (beim Kurs): [10%] Labor: 40% Hausaufgaben : 20% Total: 110% [!] Kommunikation: Sprechstunden: EB129

7 1. Einleitung. Lernziele der Vorlesung;
1.Einleitung Lernziele der Vorlesung; Sensoren in der Prozeßautomatisierung und für Meß- und Überwachungsaufgaben. Physikalische Grundlagen und Effekte Sensortechnik oder Sensorik: ein eigenständiger Bereich der allgemeinen Meßtechnik, welcher zunehmend an Bedeutung gewinnt. Er enthält sowohl einfache Meßwertaufnehmer (Sensoren) als auch komplexe Aufnehmersysteme (Sensoren) für Meß-einrichtungen aller Art zur Erfassung nichtelektrischer Meßgrößen.

8 1.Einleitung Die Umwandlung nichtelektrischer Größen in elektrische Signale erfolgt unter Ausnutzung geeigneter physikalischer Effekte (Sensor-Wirkprinzipien); dabei werden die Signale häufig schon im Sensor selbst einer elektrischen Aufarbeitung unterworfen, damit eine einfache Verbindung von Meßwertaufnehmer und weitergehender Signal- und Datenverarbeitung für die Automatisierung gegeben ist. Der Einsatz von Sensoren erfolgt in allen Bereichen des Maschinenbaus und der Technik.

9 1.Einleitung Formal ist der Bereich der Sensortechnik deckungsgleich mit dem der Feinwerktechnik. In Sensoren werden elektromechanische, optomechanische und optoelektronische Möglichkeiten zur Meßwertaufnahme genutzt, wobei die ingenieurmäßige Anwendung der Physik im Sensor ein besonderes Merkmal der Feinwerktechnik ist.

10 1.Einleitung Ein Aktuator (actuator) ist ein Gerät der, umgekehrt, wandelt elektrische Signale in physikalishen Bewegungen oder in anderen physikalischen Phänomena um. Um die Umwelt zu verstehen und zubeschreiben, braucht man ein Modell der Umwelt vorauszusetzen, und dann die Phänomene zu beobachten und zu benutzen. Die Umweltmodellierung dient erstens zur Rekonstruktion von Objekte oder Teile der Objekteneigenschaften, sowie deren Lokationen zu ermitteln. Dazu verwendet man die fünf Sinne und /oder Sensoren

11 1.Einleitung Ein Sensor (sensor) ist ein Gerät, welches ein physikalisches Phänomen benutzt, um die zumessende Größe in einem elektrischen Signal umzuwandeln. Sensoren <--> Schinttstelle zwischen der physikalischen Welt und einer Meßeinrichtung. Um die Umwelt wie gewünscht zu verändern, soll der Perzeption-Aktion Zyklus über intelligente Steuerung kontinuirlich realisiert werden. Obwohl das kann auch ohne einer geeigneten Umweltmodellierung geschehen, eine fehlerfrei Aktion nimmt an, daß nicht nur die Sensordaten, sondern auch der Ergebniss dem Vergleich der Modelldaten mit den realen Sensordaten verwendet werden.

12 2.Definitionenumfassung Meßumformer sind Geräte, die eine zumessende Größe A in eine andere Größe B umformen, die leichter zu messen ist. Meßfühler - Meßsonde; Meßelement; Sensor- (engl.: sensing element oder gage) stellen das spezielle physikalisch-elektrische Umformungsglied in der Meßkette dar.

13 2.Definitionenumfassung  Aufnehmer - Meßwertaufnehmer; Meßgeber - (engl.: transducer oder pick-up) fassen alle Bauglieder zur Umformung (Umwandlung) von physikalischen in elektrische Meßgrößen zusammen. Ein Meßfühler kann auch direkt als Aufnehmer wirken, z.B. bei Dehnungmeßstreifen oder Thermoelementen.

14 2.Definitionenumfassung Sensor verwendet man in üblichen Sprachgebrauch als Bezeichnung für Meßfühler und Aufnehmer ohne oder mit integrierter Elektronik zur Signalverarbeitung.

15 2.Definitionenumfassung Meßumformer - Signalumformer - sind allgemein Meßgeräte, die entsprechend der Gerätekennlinie ein analoges Eingangssignal in ein eindeutig mit ihm zusammenhängendes analoges Ausgangssignal umformen.

16 2.Definitionenumfassung Meßgrößenumformer sind Meßumformer, bei denen Eingangssignal und Ausgangssignal von verschiedener physikalischer Natur sind. Aufnehmer sind meist Meßgrößenumformer, so z.B. ein Thermoelement als Temperaturaufnehmer mit Temperatur als Eingangssignal und elektrischer Spannung als Ausgangssignal.

17 2.Definitionenumfassung Meßwertumformer sind Meßumformer, bei denen Eingangssignal und Ausgangssignal von gleicher physikalischer Art sind.

18 2. Definitionenumfassung Einheitsmeßwertumformer (engl
2.Definitionenumfassung Einheitsmeßwertumformer (engl.: transmitter) sind Meßumformer mit einem genormten Ausgangssignalbereich: eingeprägter Gleichstrom I (stromproportionales System): 0  5 mA oder 020 mA d. h. mit totem Nullpunkt (dead zero) 4  20 mA oder 2  10 mA d. h. mit lebendem Nullpunkt (live zero) (0  5 mA) bis (12  25 mA) d. h. mit einstellbaren Grenzen eingeprägte Gleichspannung U (spannungsproportionales System): 0  5 V oder 010 V Frequenz f oder Impulsfolge (zeitproportionals System): 5 Imp/s  25 Imp/s pneumatisches Einheitssignal p: bar  1.0 bar

19 3. Signale Signale sind ausgewählte physikalische Größen, die sich aus gerätetechnischer Sicht vorteilhaft verarbeiten lassen. Jedoch sind Signale nur Mittel zum Zweck der Informationsübertragung. Um Informationen weitergeben zu können, muß ein Signal, ausgestattet mit einem gewissen Energiepegel, zu Hilfe genommen werden. Die Höhe des Energiepegels richtet sich nach Höhe des zu beachtenden Störpegels des Übertragungsweges und muß ein hinreichend hohen Störabstand (SNR, in dB gemessen) haben, um eine sichere Informationsübertragung (d.h., ohne Informationsverlust) zu gewährleisten.

20 3. Signale Daher der Empfänger eines Signales die Information entshlüssen kann, muß zwischen Sender und Empfänger vorher eine Vereinbarung getroffen werden. Dabei kann ein und dasselbe Signal je nach Vereinbarung verschiedenen Informationsinhalt haben. Umgekehrt kann ein und dieselbe Information mit hilfe unterschiedlicher Signale transportiert werden. So hat z.B. ein elektrischer Temperatur-Meßumformer mit einem Meßbereich von 0 bis 100 C als Ausgangssignal [2…10] mA, während ein pneumatischer Temperatur-Meßumformer für den gleichen Meßbereich ein Ausgangssignal von [.2…1.0] bar lliefert.

21 3. Signale Der für die Signalübertragung erforderliche Energiepegel wird entweder dem Meßort entnommen (z.B. Thermoelement) oder mit Hilfe eines Leistungsverstärkers aus einer Hilfsenergiequelle geliefert (z.B. Impedanzwandler). Die Signale werden von einem Übertragungsglied zum nächsten Übertragungsglied weitergegeben. Die Signalflußrichtung ist durch die im Idealfall volle Rükwirkungsfreiheit des Übertragungsgliedes gegeben. Das heißt, das Ausgangssignal des vorgeschalteten Gliedes ist gleich dem Eingangssignal des nachgeschalteten Übertragungsgliedes.

22 3. Signale. Signalarten. Grundsätzlich ist jede physikalische Größe als Signal verwendbar. Es wurden jedoch bevorzugt : Pneumatischer Druck Elektrische Spannung Elektrischer Strom (als die Signalmäßige Verbindung zwischen den Geräte einer Signalflußkette) Weg/Winkel Kraft/Drehmoment (als geräteinterne Signale)

23 3. Signale. Signalarten. In den primären Sensorelemente (Meßelementen, Meßumformern) werden für die Signalumformung (z.B. mechanische Größe/elektrische Größe) zahlreiche verschiedene physkalische Effekte benutzt, die unterschiedlichen Signalarten im Ausgang haben: amplitudenanaloge Signale frequenzanaloge Signale digitale Signale

24 4. Physikalische Grundlagen und Effekte Die elektrische Meßtechnik umfasst auch die Technik, die erlaubt, daß verschiedene pysikalischen Effekte zur Messung nichtelektrischer Effekte herangezogen werden. Dabei steuert oder erzeugt die nichtelektrische Größe das elektrische Signal des jeweiligen Aufnehmers, Gebers, Fühlers, Detektors oder Sensors.

25 4.Physikalische Grundlagen und Effekte Es gibt aber Fälle, wenn bei ein und demselben Aufnehmer oder Sensor jeweils verschiedene Einflußgrößen wirksam sind: der elektrische Widerstand eines Leiters z.B. ist sowohl von der Temperatur als ach von mechanischen Spannungen abhängig. Soll die Temperatur gemessen werden, sind mechanische Spannungen zu vermeiden. Umgekehrt müssen bei der Dehnungsmessung die Temperatureinflüsse herauskorrigiert werden.

26 4. Physikalische Grundlagen und Effekte Tabelle 1
4.Physikalische Grundlagen und Effekte Tabelle 1. Sensoreffekte und Sensoren (Edmund R. Schießle, 2003)

27 4. Physikalische Grundlagen und Effekte Tabelle 1
4.Physikalische Grundlagen und Effekte Tabelle 1. Sensoreffekte und Sensoren (Edmund R. Schießle, 2003)

28 4. Physikalische Grundlagen und Effekte Tabelle 1
4.Physikalische Grundlagen und Effekte Tabelle 1. Sensoreffekte und Sensoren (Edmund R. Schießle, 2003)

29 4. Physikalische Grundlagen und Effekte Tabelle 1
4.Physikalische Grundlagen und Effekte Tabelle 1. Sensoreffekte und Sensoren (Edmund R. Schießle, 2003)

30 4. Physikalische Grundlagen und Effekte Tabelle 1
4.Physikalische Grundlagen und Effekte Tabelle 1. Sensoreffekte und Sensoren (Edmund R. Schießle, 2003)

31 4. Physikalische Grundlagen und Effekte Tabelle 1
4.Physikalische Grundlagen und Effekte Tabelle 1. Sensoreffekte und Sensoren (Edmund R. Schießle, 2003)

32 4. Physikalische Grundlagen und Effekte Tabelle 1
4.Physikalische Grundlagen und Effekte Tabelle 1. Sensoreffekte und Sensoren (Edmund R. Schießle, 2003)

33 4. Physikalische Grundlagen und Effekte Tabelle 1
4.Physikalische Grundlagen und Effekte Tabelle 1. Sensoreffekte und Sensoren (Edmund R. Schießle, 2003)

34 4. Physikalische Grundlagen und Effekte Tabelle 1
4.Physikalische Grundlagen und Effekte Tabelle 1. Sensoreffekte und Sensoren (Edmund R. Schießle, 2003)

35 4. Physikalische Grundlagen und Effekte Tabelle 1
4.Physikalische Grundlagen und Effekte Tabelle 1. Sensoreffekte und Sensoren (Edmund R. Schießle, 2003)

36 4. Physikalische Grundlagen und Effekte Tabelle 1
4.Physikalische Grundlagen und Effekte Tabelle 1. Sensoreffekte und Sensoren (Edmund R. Schießle, 2003)

37 4. Physikalische Grundlagen und Effekte Tabelle 1
4.Physikalische Grundlagen und Effekte Tabelle 1. Sensoreffekte und Sensoren (Edmund R. Schießle, 2003)

38 4. Physikalische Grundlagen und Effekte Tabelle 1
4.Physikalische Grundlagen und Effekte Tabelle 1. Sensoreffekte und Sensoren (Edmund R. Schießle, 2003)

39 Hausaufgabe 1 (http://www. schiessle. de/ST1/ST_A1_WS96
Hausaufgabe 1 ( Es sollen hochdynamische Bewegungsvorgänge im Millimeterbereich von Maschinenteilen mit Hilfe eines magnetoelastischen Beschleunigungs-aufnehmers sensiert werden. Der prinzipielle Meßaufbau ist im nachfolgenden Blockschaltbild dargestellt. Der Beschleunigungsaufnehmer hat eine Meßempfindlichkeit von EA = 0,02(1+Nmod3) mVs2/m. Der Meßverstärker hat eine Linearverstärkung von V = 500(1+Nmod5). Der elektronische Integrator hat einen Eingangswiderstand von R1 = 1M. Bei einer Nennbeschleunigung von 10g (1g = 9,81 m/s2) sollen innerhalb der Nennspannung von uI = 10 V, Geschwindigkeiten bis 100(1+Nmod2) m/s sensiert werden.

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41 Hausaufgabe 1 (http://www. schiessle. de/ST1/ST_A1_WS96
Hausaufgabe 1 ( a) Berechnen Sie die Spannung UV am Verstärkerausgang für die Nennbeschleunigung von 10 g. b) Berechnen Sie die Zeit t über welche die Nennbeschleunigung von 10 g auf den Meßwertaufnehmerwirken kann, bis die Nenngeschwindigkeit des Maschinenteils von 100(1+Nmod2) m/s erreicht ist. c) Berechnen Sie, mit Hilfe der unter a) und b) errechneten Ergebnisse, die für den Integrator notwendige Kapazität des Kondensators C2, wenn die Nennausgangsspannung uI = 10V betragen soll.