- Positionsmessung (1) -

Prof. Dr. Ulrich HahnSS 2010

Sensorik & AktorikWahlpflichtfach Studienrichtung „Antriebe & Automat ion“

Positionsmessung 2

verbreitete Verfahren zur Positionsmessung

Positionsmessung 3

SchalterBinärsensor Taster

Endschalter

Mikroschalter

Rückmeldung erreichter Positionen

Reproduzierbarkeit ± 10µm Lebensdauer 107 Schaltungen berührende Messung hohe Spannungen/Ströme möglich

direkte Integration in Steuerung

Prellen, Kleben langsam Ausfallkontrolle

Positionsmessung 4

Potentiometer

Linearpotentiometer

Drehpotentiometer

kontinuierliche eindimensionale Positionserfassung

gemesseneSchleiferspannung US Position

belasteter Spannungsteiler "Durchhangfehler"

Mess-gerät

),,,( 0 LSSS RRRlUU =

Positionsmessung 5

PotentiometerAusführungen: R0: 100ΩΩΩΩ ... 100kΩΩΩΩ

WiderstandsdrahtLeitplastik (Harz-Kohlenstoff)

Leitplastik-Hybrid (Metallschicht)

hohe Temperaturen

Positionsgenauigkeit bis zu 0,25µm max. Geschwindigkeit ≈ 10m/s, max. Beschleunigung 20g Lebensdauer 2,5.107m bzw. 108 Hübe max. Betriebstemperatur 150°C Reibungskraft 0,1 ... 10 N

hohe Messgenauigkeit einfache Messwertverarbeitung kostengünstig

mechanischer Verschleiß

Vibrationsempfindlichkeit

Rückwirkung auf Messobjekt Linearität

Ausfallkontrolle

Positionsmessung 6

PotentiometerAnwendungen

WerkzeugmaschinenRobotik

Fahrzeugtechnik

Beispiel

Positionsmessung 7

Potentiometer

Positionsmessung 8

Seilzug-Positionssensor

Messumformer (Sensor)

Wendelpotentiometer optischer Wegaufnehmer

Positionsmessung 9

Lichtschranken

berührungslos, eine Rückwirkung auf das Objekt

Funktionsprinzip:

(nahezu) verschleißfrei

(beliebig) schnell, Begrenzung: Detektoren, Elektronik

Ausfallskontrolle

Lichtweg darf nicht gestört werden

Absorption, Streuung (Staub...) Störlichtquellen zeitlich konstant (Sonne, Glühlampen)

periodisch (Leuchtstoffröhren, Lichtbogenandere Lichtschranken

Positionsmessung 10

Lich

tsch

rank

en: G

rund

type

n

Positionsmessung 11

Lichtschranken: Ausführungsbeispiele

a) Rahmenlichtschrankeb), d) Gabellichtschranke

c) Lichtgitter

e) Ringlichtschranke

Positionsmessung 12

LichtquellenLeuchtdioden (LED)Leuchtdioden (LED)

gerichtetes Licht (mit Optik) aber: aber: aber: aber: AstigmatismusAstigmatismusAstigmatismusAstigmatismus leicht modulierbar (elektrisch) kostengünstig, haltbar

LaserdiodeLaserdiode

stark gerichtetes Licht (mit Optik) hohe Leistungsdichten

aber: aber: aber: aber: AstigmatismusAstigmatismusAstigmatismusAstigmatismusAugenschutzAugenschutzAugenschutzAugenschutz

Positionsmessung 13

Lichtquellenbevorzugte Wellenlängen:

IR (880nm, 950 nm)

VIS (630nm ... 680nm)

wenig Einfluss von Staub Detektoren empfindlich

Sichtkontrolle

Positionsmessung 14

Laserdiode: Aufbau

Energieschema Streifen Brechnungsindex E-Feld Lichtwelle

Positionsmessung 15

Laserdiode: Aufbau

longitudinale Moden im Resonator

Betriebs-parameter

Positionsmessung 16

Die handelsüblichen Wellenlängen von Halbleiterlase rn und deren Anwendungen sind:

405 nm - Basierend auf dem Halbleitermaterial In-GaAs. Blau-violette Laser, Anwendung in Blue-Ray-Discsund in HD-DVD-Laufwerken.

515 nm - Basierend auf dem Halbleitermaterial In-GaN. Noch im Laborstadium.

531 nm - Basierend auf dem Halbleitermaterial GaN. Noch im Laborstadium.

635 nm - Qualitativ gute rote Laserpointer. Anwendung auch zur optischen Vermessung bei LIDAR.

650 nm - DVD-Laufwerke, Laserpointer

670 nm - Minderwertige und kostengünstige rote Laserpointer. Einsatz auch bei Strichcodegeräten.

780 nm - CD-Laufwerke, Laserdrucker, Lichtschranken.

808 nm - Pumplaser bei NdYAG-Lasern. Anwendungen sind Pumplaser bei grünen Laserpointern oder bei Diodenlasern und deren Arrays.

980 nm - Pumplaser (DPSS) bei Nd:YAG-Laser.

1064 nm - Anwendungen bei Glasfasernetzen zur Datenübertragung.

1310 nm - Anwendungen bei Glasfasernetzen zur Datenübertragung.

1480 nm - Pumplaser (DPSS) bei Nd:YAG-Laser.

1550 nm - Anwendungen bei Glasfasernetzen zur Datenübertragung.

1625 nm - Anwendungen bei Glasfasernetzen zur Datenübertragung. Im Rahmen von Wellenlängen Multiplex(WDM) üblicherweise für den Dienstkanal zur Netzwerksteuerung benutzt.

Positionsmessung 17

Empfänger: spektrale Empfindlichkeiten

Positionsmessung 18

EmpfängerFotoelementeFotoelemente"aktive" Spannungsquellen: Spannung abhängig

von der Bestrahlungsstärke

hohe Empfind-lichkeit

kleine Grenz-frequenz(≈ 500 Hz)

Positionsmessung 19

EmpfängerFotodiodenFotodioden Sperrstrom ist abhängig von der Bestrahlungsstärke

25µA

Ev

IFD

5µA --

103 lx

viel schneller als Fotoelemente Verstärkung erforderlich

AvalancheAvalanche--FotodiodenFotodioden

Sperrspannung sehr hoch starke Beschleunigung der Elektronen Stoßionisation weiterer Elektronen (Ladungslawine)

Nachweis einzelner Photonen strahlungsproportionaler Betrieb (fG ≈ 3 GHz)

Positionsmessung 20

EmpfängerFototransistorFototransistor Kollektor-Basis Grenzschicht ist lichtempfindlich

"Verstärker" integriert (V ≈ 100)

Positionsmessung 21

Empfänger

FotowiderstandFotowiderstand dünne PbS oder CdS –Schichten (Halbleiter) keine Sperrschicht

direkt in Steuerungen integrierbar

geringe Grenzfrequenz (100 ... 500 Hz)

Positionsmessung 22

Empfänger

FotowiderstandFotowiderstand dünne PbS oder CdS –Schichten (Halbleiter)

Positionsmessung 23

ReflektorenRetroreflektorRetroreflektor ReflexionsfolienReflexionsfolien

glänzende Objekteglänzende Objekte

Reflektor dreht die Polarisation des Lichtes

Positionsmessung 24

Funktionsreserve bei Lichtschrankenwas ist zu tun, wenn

kein Objekt im Strahlengang, aber Lichtsignal schwachObjekt im Strahlengang, aber Lichtsignal zu groß

Positionsmessung 25

automatische Schwellwertanpassung

Signal bei unterschiedlicher Sauberkeit

Schaltschwelle normal

Schalt-schwelleangepasst

Start Reinigung

War-nung

AlarmAlarmAlarmAlarm

Positionsmessung 26

Störlicht: Gegenmaßnahmen

Modulation der Quelle Empfänger: Wechsellichtsignal

Hochpassfilter Gleichlichtanteil unterdrückt

Bandpassfilter Wechsellicht anderer Frequenzen unterdrückt

Positionsmessung 27

Störlicht: Gegenmaßnahmen Integration der Impulse

statistische Bewertung von Störimpulsen: Zahl der Störimpulse pro Zeit < Zahl der Nutzimpulse/Zeit

Austastung des Empfangssignals

gepulste Lichtquelle Empfangssignal kurz danach"Scharfschalten" des Empfängers für kurzes ZeitintervallStörpulse statistisch verteilt treffen meist auf inaktiven Empfänger

Empfänger zählt über 2. Kanal die Impulse des SendersZahl der Impulse << Zahl der Senderimpulse "dunkel"

Zahl der Impulse $$$$ Zahl der Senderimpulse "hell"

Positionsmessung 28

AnwendungsbeispieleReflexlichttaster –Streulicht des Messobjektes

Positionsmessung 29

AnwendungsbeispieleDurchlichtschranke

Greifersteuerung Führungskontrolle

Positionsmessung 30

AnwendungsbeispieleErkennen von Lücken

Positionsmessung 31

AnwendungsbeispieleErkennen von Werkstückorientierung

Positionsmessung 32

AnwendungsbeispieleErkennen von Werkstückorientierung

Positionsmessung 33

AnwendungsbeispieleErkennen von Werkstückorientierung

Positionsmessung 34

AnwendungsbeispieleUmrisserkennung mit Lichtgittern

Positionsmessung 35

AnwendungsbeispieleAbsichern eines Bereiches

Positionsmessung 36

AnwendungsbeispieleUmrisserkennung durch Abtasten mit einem Laserstrahl

Positionsmessung 37

Schriftvorlagen

Kinematik:c Bewegungszustand eines Objektes:

Bewegungszustand eines Objektes: vr

Gleitreibung Gleitreibung Gleitreibung Gleitreibung

Ursache für die Änderung des Bewegungszustandes sind KräfteKräfteKräfteKräfte.Ursache für die Änderung des Bewegungszustandes sind KräfteKräfteKräfteKräfte.

Reibungskräfte wirken bewegungshemmendReibungskräfte wirken bewegungshemmend

Bewegliche Teile:

Wälzlager

Inertialsystem

Kann für Verrichtung von Arbeit Kann für Verrichtung von Arbeit genutzt werdengenutzt werden

ArbeitArbeitArbeitArbeit

GleichgewichtGleichgewicht

SteinStein∅

~aber: 2. Hauptsatzaber: 2. Hauptsatz

²2

vPV ⋅ρ⋅ς=∆ ²2

vPV ⋅ρ⋅ς=∆

Positionsmessung 38

SchriftvorlagenKinematik:c Bewegungszustand eines Objektes:

Bewegungszustand eines Objektes: vr

Gleitreibung Gleitreibung Gleitreibung Gleitreibung

Ursache für die Änderung des Bewegungszustandes sind KräfteKräfteKräfteKräfte.Ursache für die Änderung des Bewegungszustandes sind KräfteKräfteKräfteKräfte.

Reibungskräfte wirken bewegungshemmendReibungskräfte wirken bewegungshemmend

Bewegliche Teile:

Inertialsystem

Kann für Verrichtung von ArbeitKann für Verrichtung von Arbeit

ArbeitArbeitArbeitArbeit

GleichgewichtGleichgewicht

SteinStein∅

~

hohe Lüfterleistung Wärmeabgabe durch Strahlung

Trägheit

Überströmzone: wenig Schadstoffe