Mihaela Albu [email protected] Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 2013-2014 1/41 Sensoren und...

Mihaela [email protected]

Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 2013-2014

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Sensoren und Akt[uat]orenSensoren 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



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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



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Stoffplan:Stoffplan:1.1. Einleitung.Einleitung. Elektrische Messung nichtelektrischer Größen.2.2. Meßfühler. Meßfühler. Übersicht über passive Aufnehmer-Prinzipien3.3. Meßfühler.Meßfühler. Übersicht über aktive Aufnehmer-Prinzipien4.4. SensorenSensoren für geometrische Meßgrößen und mechanische Beanspruchung, 5.5. TemperaturmessungTemperaturmessung6.6. Optische und Strahlung SensorenOptische und Strahlung Sensoren7.7. Intelligente Sensorsysteme Intelligente Sensorsysteme 8.8. Aktoren Aktoren 9.9. Typische Sensoren und Aktoren der RobotikTypische Sensoren und Aktoren der Robotik10. Feldbussysteme10. Feldbussysteme



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Labor:

28 Praktikum Stunden vorgesehen:

18 Stunden <--> Einführung im LabVIEW. Klausur10 Stunden <--> LabVIEW Anwendungen und Versuche:

DMS zur Kraft- und Dehnungsmessung, Differentialtransformator zur Wegmessung, Temperatur-Messung; Khepera Robot Control;

KlausurAlle Versuchsaufgaben werden auf dem Internet verfügbar.



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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, 2000.[5] Elmar Schrüfer, Elektrische Meßtechnik, Hanser, 1992.[6] B. Pantelimon, C. Iliescu: Masurarea electrica a marimilor neelectrice, Tritonic, Bucuresti, 1995[7] www.vlab.pub.ro/Messtechnik



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Schätzung der Studenten Kentnisse und Aktivität:

Prüfung (Januar 2008): 40%Teste (beim Kurs): [10%]Labor: 40% Hausaufgaben : 20%Total: 110% [!]Kommunikation:http://www.vlab.pub.ro/courses/sensoren/[email protected]; [email protected]

Sprechstunden: EB129



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1.1.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.



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1.1.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.



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1.1.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.



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1.1.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



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1.1.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.



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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.



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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.



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Sensor verwendet man in üblichen Sprachgebrauch als

Bezeichnung für Meßfühler und Aufnehmer ohne oder mit

integrierter Elektronik zur Signalverarbeitung.



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Meßumformer - Signalumformer - sind allgemein Meßgeräte,

die entsprechend der Gerätekennlinie ein analoges

Eingangssignal in ein eindeutig mit ihm zusammenhängendes

analoges Ausgangssignal umformen.



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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.



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Meßwertumformer sind Meßumformer, bei denen

Eingangssignal und Ausgangssignal von gleicher physikalischer

Art sind.



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Einheitsmeßwertumformer (engl.: transmitter) sind

Meßumformer mit einem genormten Ausgangssignalbereich:

eingeprägter Gleichstrom I (stromproportionales System):

0 5 mA oder 020 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 010 V

Frequenz f oder Impulsfolge (zeitproportionals System):

5 Imp/s 25 Imp/s

pneumatisches Einheitssignal p: 0.2 bar 1.0 bar



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3. SignaleSignale 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.



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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.



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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.



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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)



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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



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4. 4. Physikalische Grundlagen und Effekte

Die elektrische Meßtechnik umfasst auch die Technik, die Die elektrische Meßtechnik umfasst auch die Technik, die

erlaubt, daß verschiedene pysikalischen Effekte zur Messung erlaubt, daß verschiedene pysikalischen Effekte zur Messung

nichtelektrischer Effekte herangezogen werden. nichtelektrischer Effekte herangezogen werden.

Dabei steuert oder erzeugt die nichtelektrische Größe das Dabei steuert oder erzeugt die nichtelektrische Größe das

elektrische Signal des jeweiligen Aufnehmers, Gebers, Fühlers, elektrische Signal des jeweiligen Aufnehmers, Gebers, Fühlers,

Detektors oder Sensors. Detektors oder Sensors.



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4.4.Physikalische Grundlagen und Effekte

Es gibt aber Fälle, wenn bei ein und demselben Aufnehmer oder Es gibt aber Fälle, wenn bei ein und demselben Aufnehmer oder

Sensor jeweils verschiedene Einflußgrößen wirksam sind: Sensor jeweils verschiedene Einflußgrößen wirksam sind:

der elektrische Widerstand eines Leiters z.B. ist sowohl von der der elektrische Widerstand eines Leiters z.B. ist sowohl von der

Temperatur als ach von mechanischen Spannungen abhängig. Temperatur als ach von mechanischen Spannungen abhängig.

Soll die Temperatur gemessen werden, sind mechanische Soll die Temperatur gemessen werden, sind mechanische

Spannungen zu vermeiden. Umgekehrt müssen bei der Spannungen zu vermeiden. Umgekehrt müssen bei der

Dehnungsmessung die Temperatureinflüsse herauskorrigiert Dehnungsmessung die Temperatureinflüsse herauskorrigiert

werden. werden.



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Tabelle 1. Sensoreffekte und Sensoren (Edmund R. Schießle, 2003)



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Hausaufgabe 1 (http://www.schiessle.de/ST1/ST_A1_WS96.htm)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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Hausaufgabe 1 (http://www.schiessle.de/ST1/ST_A1_WS96.htm)

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.

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