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

Mihaela [email protected]

Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 2014-2015

Stoffplan:Stoffplan:1.1. Einleitung.Einleitung. Elektrische Messung nichtelektrischer Größen.2.2. Meßfühler. Meßfühler. Übersicht über passive und aktive Aufnehmer-Prinzipien. Messchaltungen.3.. SensorenSensoren für geometrische Meßgrößen und mechanische Beanspruchung, 4.. TemperaturmessungTemperaturmessung5.. Intelligente Sensorsysteme Intelligente Sensorsysteme 6.6. Aktoren Aktoren 7.7. Typische Sensoren und Aktoren der RobotikTypische Sensoren und Aktoren der Robotik8. Feldbussysteme8. Feldbussysteme



Aufnehmer zur BeschleunigungmessungAufnehmer zur Beschleunigungmessung

Beschleuninung: translatorisch (a) oder rotatorisch (n)

A. Messung translatorischer Beshleunigung

Beschleuningungsaufnehmer (accelerometer) <-->nach dem Newtonschen Prinzip <--> Kraftmessung (F=ma): es wird die Kraft gemessen, die aufgrund der Beschleunigung auf eine Probemasse (seismische Masse) ausgeübt wird.

Technisch:

•Ausschlag -Beschleunigungsaufnehmer (open-loop-technique)

•Kompensations -Beschleunigungsaufnehmer (closed-loop- technique)



A. Messung translatorischer BeshleunigungA. Messung translatorischer Beshleunigung

A1. Ausschlag -Beschleunigungsaufnehmer (open-loop-technique)

bestehen aus einer Feder-Masse-Dämpfer-Anordnung.

a--> die Kraft wirkt auf eine seismische Masse-->die Feder ausgelenkt -->die Auslenkung wird sensorisch erfaßt

Robustheit;Ueberlastfestigkeit; hohe Bandbreite; geringe Fertigungskosten; aber hohe Linearität nur für kleine Meßbereiche.

Prinzipiell: man braucht ein Sensor, mit dem die Relativbewegung zwischen der seismischen Masse und dem Gehäuse des Beschleunigungsaufnehmers zu messen



A. Messung translatorischer BeshleunigungA. Messung translatorischer BeshleunigungA1. Ausschlag -Beschleunigungsaufnehmer (open-loop-technique)

[nach Hinüber, in Automatisierungstechnik, H.-J. Gevatter (Hrsg.), Springer 2000]



A1. Ausschlag -BeschleunigungsaufnehmerA1. Ausschlag -BeschleunigungsaufnehmerA1.1. Passive Beschleunigungsaufnehmer

die durch die Beschleunigungskraft verursachte Auslenkung der seismischen Masse wird durch ein wegsystem in eine elektrische Größe umgesetzt.

-->ohmsche Wegaufnehmer:

•metallene oder Halbleiter DMS in Halb- oder Volbrückenschaltung;

•piezorezistive Aufnehmer (a-->F-->Widerstandsänderung in einem speziellen Halbleitermaterial.

-->induktive Wegaufnehmer (sehr hohe Meßempfindlichkeit)

-->kapazitive Wegaufnehmer

alle sind passive Beschleunigungsaufnehmer --> wird eine Hilfsenergie erfordert!



6/47

A1. Ausschlag -BeschleunigungsaufnehmerA1. Ausschlag -Beschleunigungsaufnehmer

A1.1. Passive Beschleunigungsaufnehmer .

Beispiel: Mikromechanische Sensoren (in großen Stückzahlen: kostengünstig!).

im Bild [nach Hinüber]: die seismische Masse ist anisotrop aus einem Siliziumsubstrat herausgesetzt; Wegmessung: mit einem Differentialkondensator;[nach Hinüber, in Automatisierungstechnik, H.-J. Gevatter (Hrsg.), Springer 2000]



A1. Ausschlag -BeschleunigungsaufnehmerA1. Ausschlag -BeschleunigungsaufnehmerA1.2. Aktive Beschleunigungsaufnehmer

Piezoelektrische Beschleunigungsaufnehmer:

a-->Druckkraft auf piezoelektrischen Wandler -->elektrische Ladung erzeugt -->spezielle Ladungsvestärker (mit hinreichend großen Eingangswiderstand)

•Frequenzband: 0.2 [2] Hz...bis 10 kHz (i.e. hochfrequente Vorgänge);

•zur Messung statischer Beschleunigungen: nicht geeignet! (die Ladung nimmt über der Zeit exponentiell ab!)

•aufgrund der hohen Steifigkeit der Piezokeramik --> nur eine geringe Wegauskenkung (bis m) --> die Sensoren entziehen dem Meßobjkekt nur extrem wenig Hilfsenergie --> arbeiten rückwirkungsfrei;

•große Bandbreite + niedriges Gewicht + geringe Abmessungen -->Anwendungen im Messen von Vibrationen und Stoßvorgänge



A1. Ausschlag -BeschleunigungsaufnehmerA1. Ausschlag -Beschleunigungsaufnehmer

A1.3. Schwingstab Beschleunigungsaufnehmer Beispiel: (mikromechanische!) - [nach Hinüber, in Automatisierungstechnik, H.-J. Gevatter (Hrsg.), Springer 2000]

0

00 g

agff x

x

Das frei schwingende Pendel (f0) wird nach oben beshleunigt (ax), so ändert sich seine Frequenz: fx



A2. Beschleunigungsaufnehmer nach dem A2. Beschleunigungsaufnehmer nach dem KompensationsverfahrenKompensationsverfahren

(Servobeschleunigungsaufnehmer)

zusätzlich: ein Stellglied mit dem eine Kompensationskraft auf die seismische Masse aufgebracht werden kann.

(aber warum ist das Ausschlagsverfahren ungeignet?

• Das Hooksche Gesetz gilt [linear!] nur für sehr kleine Auslenkungen;

• man braucht eine sehr hohe Meßdynamik für den Wegmeßsystem (Beispiel: Beschleunigungsmeßbereich von 20 m/s2 mit einer Auflösung von 5m/s2 --> Wegmeßsystem mit 7 Dekaden notwendig!)

•die sensitive Masse müßte über den gesamten Verschiebungsbereich nahezu reibungsfrei gelagert sein



A2. Beschleunigungsaufnehmer nach dem A2. Beschleunigungsaufnehmer nach dem KompensationsverfahrenKompensationsverfahren

(Servobeschleunigungsaufnehmer)

zusätzlich: ein Stellglied mit dem eine Kompensationskraft auf die seismische Masse aufgebracht werden kann.

s aus der Nullage-->Wegaufnehmer-->Verschiebungssignal-->integrierter Servo-Verstärker-->elektromagnetisch arbeitender Stellglied -->die seismische Masse unmitellbar wieder in die Ruhelage gezwungen wird.




A2. BeschleunigungsaufnehmerA2. BeschleunigungsaufnehmerTypische Daten




B. Auhnehmer für rotatorische B. Auhnehmer für rotatorische BeschleunigungenBeschleunigungen

Zur Messung absoluter Drehbewegungen: Kreisel [gyroskope]

B1. Mechanische Kreisel - Drallsatz

Funktionsprinzip: Drehimpulsergerhaltungssatz:

eine von außen aufgeprägte Rotation des Kreisels mit der Drehrate, die senkrecht zur Drehachse der mit dem Drehimpuls H rotierenden Kreisel Schwungmasse wirkt, erzeugt ein Moment Ma , das senkrecht zu k und H gerichtet ist: Ma =H k . Bei technischen Kreiseln ist das Moment der zu messenden Drehrate proportional.




B. Auhnehmer für rotatorische BeschleunigungenB. Auhnehmer für rotatorische Beschleunigungen

Zur Messung absoluter Drehbewegungen: Kreisel [gyroskope]

B2. Optische Kreisel - Sagnac-Effekt

Funktionsprinzip: das Sagnac-Effekt; große Bandbreite; großer Meßbereich;

• Interferometrischer Faserkreisel (fiber optical gyro)

•Ringlaserkreisel (ring laser gyro)




B. Auhnehmer für rotatorische BeschleunigungenB. Auhnehmer für rotatorische Beschleunigungen

B2.1. Interferometrischer Faserkreisel (fiber optical gyro)


Lichtemitterender Halbleiterlaser oder Superluminiszenzdiode;Strahlleiter;Modulator;Glasfaserspule mit nWindungen und effektive Fläche A;Interferenzdetektor.

Das Licht (Wellenlänge ) wird in zwei Lichtbündel geteilt, die beide die Faser durchlaufen: einer verläuft im Uhrzeigersinn und der ander entgegen dem Uhrzeigersinn.

Rotiert die gesamte Anordnung um den Normalenvektor der Fasenspulenebene mit der Drehrate , so verkürzt sich der Weg für das eine Lichtbündel, während sich für das andere verlängert -->die Phasenverschiebung zwischen den beiden Lichtwellenzügen wird vom Interferenzdetektor erkannt als Maß für .



B. Auhnehmer für rotatorische BeschleunigungenB. Auhnehmer für rotatorische BeschleunigungenB3. Magnetohydrodinamische Kreisel (rein passiver Winkel-beschleuningungsaufnehmer)


Ein elektrisch leitendes Fluid hoher Dichte ist in einem Torus eubgeschlosssen, der an seiner Innen- und seiner Außenfläche Elektroden trägt.

Der Torus wird in axialer Richtung von einem konstanten Magnetfeld durchsetzt. Wird der Torus um die Axialrichtung winkelbeschleunigt

--> Lorentzkraft

--> das elektrisches Feld wird zwischen den Elektroden erzeugt, das proportional der Winkelbeschleunigung ist.



GeschwindigkeitsmessungGeschwindigkeitsmessung

Niedrige Geschwindigkeiten (mm/min) : das elektrodynamische Prinzip: ein langestreckter Permanentmagnet wird durch eine ihn umschließende Tauchspule geführt. --> u(t):

vlBdt

dslBu

Berührrungslose Geschwindigeitsmessung:

•Verfahren nach dem Dopplereffekt

•Ortsfrequenz-Filterverfahren;

•Laufzeitkorrelationsverfahren;



Geschwindigkeitsmessung.Geschwindigkeitsmessung.DopplerverfahrenDopplerverfahren


v eines bewegten Körpers erfolgt aus der Zeit, die der Körper braucht, um eine definierte Wehstrecke zu durchlaufen. Es ist nicht möglich die Meßstrecke festzulegen --> v wird unter der Ausnutzung des Doppler-Effekts bestimmen: der Körper wird als Schallquelle wirken und nicht nur ein Geräusch, sondern auch einen oder mehrere Töne gleichseitig aussendet.



Geschwindigkeitsmessung.Geschwindigkeitsmessung.DopplerverfahrenDopplerverfahren


Die bewegte Schallqwelle liefert ein Signal mit der Frequenz f1 wenn sie sich auf einen ruhenden Beobachter zubewegt und ein Signal mit der Frequenz f2 wenn sie sich von ihm wegbewegt. Sei f die von der Schallqwelle erzeugte Frequenz (in Ruhe), v ihre Geschwindigkeit und c die Schallgeschwindigkeit im umgebenden Medium:-->

1

1

;1

;1

2

1

21

cvmit

cv

ff

cv

ff

ff



Geschwindigkeitsmessung.Geschwindigkeitsmessung.LaufzeitkorrelationsverfahrenLaufzeitkorrelationsverfahren


Geschwindigkiet: aus der Laufzeitmessung



Geschwindigkeitsmessung.Geschwindigkeitsmessung.LaufzeitkorrelationsverfahrenLaufzeitkorrelationsverfahren

Geschwindigkiet: aus der Laufzeitmessung;

typischen Aufbau: 2 Aufnehmer, die in einem bekanten Abstand s hintereinander in v Richtung angeordnet sind;

zufällige Anderungen der Oberfläcjenegenschaften des bewegten Objekt-->Rauschsignale (Temperatur; optisches Reflexionsvermögen; Dichte; elektrische Leitfähigkeit etc.) --> Kreuzkorrelationsfunktion der stochastischen Eingangssignale -->der Hauptmaximum wird bestimmt --> der Prozeßlaufzeit T0-->

0T

sv

Meßverfahren:

•optische Sensoren;

•induktive Sensoren;

•thermische Sensoren;



Digitale Winkelgeschwindigkeitsmessung.Digitale Winkelgeschwindigkeitsmessung.Optische Inkremental-GeberOptische Inkremental-Geber




Längen und Winkel Messung

A. Analoge Verfahren

A1. Parametrische Sensoren

Meßgröße x --> in einer komplexe Impedanz abgebildet

der passive Signalparameter (R, L, C) + Hilfsenergie (ac oder dc)--> aktives Signal (i oder u)

Potentiometrische Sensoren;

Typische daten:

Meßweg x: 1… 30cm;

Auflösung 1 mm;

Nichtlinearität =1%FS;

Nachteil: Berührung des Meßobjektes;

Reibung; Korrosion;

hohe Leistungsaufnahme

Beispiel: Planarpotentiometer mit nichtlinearer Charakteristik

[nach Bether, in Automatisierungstechnik, H.-J. Gevatter (Hrsg.), Springer 2000]






Induktive Sensoren;

Typische daten:

Meßweg x: 0.1… 10cm;

Auflösung 1 nm;


Nachteil: Speisung mit Wechselspnnung;

erhebliche Nichtlinearität;

mäßige Signalleistung

Beispiel: Zylinderspule mit ferromagnetischem Tauchanker







Kapazitive Sensoren;

Typische daten:

Meßweg x: 0.1… 3cm;

Auflösung 0.1 nm;


Nachteil: Speisung mit Wechselspnnung;

erhebliche Nichtlinearität;

geringe Signalleistung Beispiel: Koaxialer Differentialkondensator






A2. Modulatorische Sensoren

Beispiel: Modulation des Übertragungsmaßes U


Die Meßgröße x verändert (moduliert) die Intensität einer Signalübertragung von einem Sender S zu einem Empfänger E .

Die Energie des Ausgangssignals entnimmt entweder dem Sender PH(S) oder wird aus einer Empfänger – Hilfsenergie PH(E) gewonnen.





A2. Modulatorische Sensoren

Transformator prinzip

Beispiel: Geometriemessung durch Vierpole: Transformator.


Die Kopplung zwischen Primärwicklung und Sekundärwicklung wird durch Variation des Spulenabstandes bzw. der Position des Magnetkernes oder durch Verdrehen des Spulenachsen gegeneinander verändert ändert sich die Amplitude der sekundärseitig induzierten Ausgangsspannung





A2. Modulatorische Sensoren.

Transformator prinzip. Ausführungsformen:

Beispiel: Differentialtransformator.


Der Differentialtransformator (linear variable differential transformator, LVDT)

Primärspannung zwei gegenphasige Spannungen induziert werden; bei mittiger Kernlage (x=0) summieren sie zum Wert Null.



Längen und Winkel MessungA. Analoge Verfahren

A2. Modulatorische Sensoren. Transformator prinzip. Ausführungsformen:

Beispiel: Induktosyn (linearer Wegmeßsystem).[nach Bether, in Automatisierungstechnik, H.-J. Gevatter (Hrsg.), Springer2000]

Inductosyn (transformatorischer Inkrementalaufnehmer)

Ein mäanderförmiger Primärleiter induziert in zwei Empfangswicklungen (die Mäanderabschnitte II und III) Spannungen, die bei Verschiebung der beiden Systeme gegeneinander ein periodisches Signal liefern.






Binäre Erfasung:

Hall Schalter






Optische Sensoren

Beispiel: Geometriemessung durch Vierpole: Photodetektor.




Längen und Winkel MessungB. Laufzeitverfahren. B1. FM und AM-Radar Verfahren

Beispiel: Abstandsmessung durch FM-CW Radar





B. Laufzeitverfahren. B1. FM und AM-Radar Verfahren

Beispiel: Abstandsmessung durch FM-CW Radar


c

vFf

TFF

D

mSE

00

4



AufgabeAufgabeIn der nachfolgenden Abbildung ist der prinzipielle Messaufbau einer optoelektronischen Längenmesseinrichtung dargestellt, wobei sich die Messobjekte immer mit konstanter Geschwindigkeit über die Messunterlage bewegen. Messeinrichtung:

Beschreiben Sie, in kurzen Sätzen, wie mit dem oben dargestellten Messaufbau eine optoelektronische Längenmessung, an dem mit konstanter Geschwindigkeit v bewegten Messobjekt, möglich ist. Die Geschwindigkeit v des Messobjektes ist nicht bekannt.

Hinweis: Durch die optoelektronische Messeinrichtung und die zugehörige Signalverarbeitungselektronik wird erkannt, zu welchen Zeitpunkten die Kante A und B des Messobjektes P1(x=0), P2(x=lv) und P3(x=lN) passieren. Sie können aus den gemessenen Laufzeiten die Länge lM des Messobjektes bestimmen.



AufgabeAufgabe

Beschreiben Sie, in kurzen Sätzen, wie mit dem oben dargestellten Messaufbau eine optoelektronische Längenmessung, an dem mit konstanter Geschwindigkeit v bewegten Messobjekt, möglich ist. Die Geschwindigkeit v des Messobjektes ist nicht bekannt.

Hinweis: Durch die optoelektronische Messeinrichtung und die zugehörige Signalverarbeitungselektronik wird erkannt, zu welchen Zeitpunkten die Kante A und B des Messobjektes P1(x=0), P2(x=lv) und P3(x=lN) passieren. Sie können aus den gemessenen Laufzeiten die Länge lM des Messobjektes bestimmen.

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

Documents

Transcript of Mihaela Albu [email protected] Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 2014-2015 Stoffplan:...