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Mihaela Albu [email protected] Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 2014-2015 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

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Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 2014-2015

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 - LabVIEW

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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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Induktive MeßfühlerFür 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:

l

ANNL r 022

der Querschnitt A, die Länge l des magnetischen Kreises und die relative Permeabiltät µr.

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Induktive Meßfühler

Differentialdrosseln

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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).

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Induktive Meßfühler

Differential-transformator

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Induktive MeßfühlerDifferentialtransformator 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.

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Kapazitive MeßfühlerKapazitive Wegmeßsysteme - Industrielle Anwendungen:

Ultrapräzisions-Materialbearbeitung, Optik

•Höchste Auflösung aller erhältlichen Wegsensoren (<0,1 Nanometer).

•15 bis 300 um Meßbereich.

•Linearität besser als 0,05% durch Integrated Linearization System (ILS).

•Extrem hohe Langzeitstabilität (< 0,1 nm/3 Stunden).

•Bis zu 10 kHz Bandbreite.

•Stand-Alone- und modulare Steuerelektronik.

•Standardelektronik für Einsatz

mit PI Piezotranslatoren/Piezo-Stellsystemen

und Positions-Servo-Controllern.

www.physikinstrumente.com

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Kapazitive MeßfühlerKapazitive Sensoren erkennen metallische und nichtmetallische Objekte

Hohe EMV-StörfestigkeitSchaltabstand einstellbar

Wegen des einfachen Aufbaus, der hohen Empfindlichkeit und der großen Störfestigkeit werden in der Automatisierungstechnik oft kapazitive Sensoren eingesetzt. Sie arbeiten berührungslos und erfassen metallische sowie nichtmetallische Objekte, die sich in festem oder flüssigem Zustand befinden können.

http://www.betasensorik.de

Sie dienen der Füllstandsüberwachung, der Inhaltsüberprüfung an Abfüll- oder Verpackungsanlagen, dem Positionieren, Überwachen und Zählen von Objekten.

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Kapazitive Meßfühler.

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Kapazitive Meßfühler. Anwendungen.Kapazitive Längen-/Wegmessung

Der physikalischeEffekt lässt sich bei einem Plattenkondensator

durch eine einfache Beziehung beschreiben: C ist die Kapazität.

Sie ist abhängig von der relativen Dielektrizitäts-konstanten εr,

der absoluten Dielektrizitäts-konstanten ε0, der wirksame Fläche

A und dem Abstand a. Sowohl der Abstand a, wie die

gemeinsame Fläche A, wie auch die Dielektrizitätskonstante εr

lassen sich durch Bewegungen beeinflussen.

Die Kapazität kann mit Hilfe einer Brückenschaltung in ein

Spannungssignal gewandelt werden.

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Kapazitive Meßfühler.

©Feingerätebau T.U.München

Wird bei einem Platten-kondenstor der Platte-abstand a vergrößert oder verkleinert, so ändert sichseine Kapazität C indirekt proportional zum Abstand. Das ergibt eine nichtlineare Kennlinie. Je kleiner der Abstand wird, um so stärker steigt die Kapazität an.

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Kapazitive Meßfühler.

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Verschiebt man die Kondensatorplatten seitlich, so verändert sich die wirksame Fläche. Die Kapazitätändert sich direkt proportional zur Fläche. Damit ergibt sich bei rechteckigen Platten ein linearer Zusammenhang und die Empfindlichkeit ändert sich nicht beim Durchlaufen des Messbereichs.

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Kapazitive Meßfühler.

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So lässt sich beispielsweise der Flüssigkeitsstand einer leitenden Flüssigkeit sensieren, wenn maneine isolierte Elektrode einbringt. Als Gegenelektrode dient die Flüssigkeit selbst. Die Kondensatorfläche ist proportional zur Füllhöhe der Flüssigkeit.

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Kapazitive Meßfühler.

©Feingerätebau T.U.München

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Kapazitive Meßfühler.

Eine Änderung Dielektrizitätskonstante ε lässt sich mit

einer Längenänderung verknüpfen, wenn man

ein zusätzliches Medium zwischen die Kondensatorplatten

schiebt. Es ergibt sich je nach Stellung und Dielektrizitäts-

konstante des zusätzlichen Mediums eine wirksame

mittlere Dielektrizitätskonstante.

Zu dieser ist die Kapazität dann proportional.

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Kapazitive Meßfühler.

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Bei elektrisch nichtleitenden Flüssigkeiten kann man zwei Elektroden einbringen. Die wirksame Dielektrizitäts-konstante schwankt abhängig vom Anteil der Flüssigkeit und der Luft im Kondensatorspalt.

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Kapazitive Meßfühler.

©Prof. Dr. Eike Rosenfeld, FH Merseburg

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Kapazitive Meßfühler.

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Kapazitive Meßfühler.

Meßgrößen kapazitiver Sensoren

•mechanische Verschiebung•Schall und Ultraschall•statischer Druck•Beschleunigung•Flüssigkeitspegel•Dichte von Flüssigkeiten•Feuchtigkeit•Temperatur

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Kapazitive Meßfühler. Anwendungen

Kapazitiver Beschleunigungssensor in Mikrosystemtechnik

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Kapazitive Meßfühler. Anwendungen

prinzipieller Aufbau eines kapazitiven Feuchtesensors

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Kapazitive Meßfühler. Anwendungen Messsystem zur Erfassung der KraftverteilungDie zebris Multifunktions-Kraftmess-platte arbeitet mit 1504 kapazitiven Kraftsensoren, die in einer Matrix von 32x47cm angeordnet sind. Sie ermöglicht die Analyse der statischen und dynamischen Kraft- und Druckverteilung unter den Füßen / Schuhen beim Stehen und Gehen.Die Einsatzgebiete liegen in der einfachen und schnellen Durchführung von dynamischen Abrollanalysen sowie statischen Belastungs-verteilungen. Diese können für die Ermittlung der Fußfunktion eingesetzt werden. Ebenso sind Feed-back- und Koordinationstraining mit spielerischen Übungen, sowie Gleichgewichtsanalysen möglich.

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Kapazitive Meßfühler. Anwendungen Messsystem zur Erfassung der Kraftverteilung

www.zebris.de

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Kapazitive Meßfühler. Anwendungen http://www.electrosense.com.au/products.htm

http://www.waycon.de/ http://www.waycon.de/induktiversensor.html

http://www.waycon.de/linearpotentiometer.html

http://archives.sensorsmag.com/articles/0102/29/

http://www.temperatures.com/csensors.html