- Einführung -

Prof. Dr. Ulrich HahnSS 2010

Sensorik & AktorikWahlpflichtfach Studienrichtung „Antriebe & Automat ion“

Einführung 2

was sind "Sensoren" bzw. "Aktoren"

Sensor ���� (Mess)fühler erfasst physikalische Größen liefert Informationen über physikalische Größen

Aktor ���� "Macher", Stellglied verändert physikalische Größen

wofür werden Sensoren benötigt?

� steuern

� überwachen

� dokumentieren

Einführung 3

Beispiel

Einführung 4

Sensoren des Menschen

5 Sinne des Menschen:

SehenHören

Riechen

Schmecken

Fühlen

� thermisch� mechanisch� Schmerz� Gleichgewicht

Schnittstellen zur Umwelt

Augen 2.108 SensorenOhren 3.104 SensorenNase 1.107 Sensoren

Zunge 1.107 Sensoren

Haut 2.105 SensorenHaut 5.105 Sensoren

InnenohrHaut 3.106 Sensoren

Tiere: Lichtpolarisation

Magnetfeld

InsektenVögel, Bienen

Einführung 5

Beispiel menschliches Auge

Lichtverteilung einer Szene

Abbildung auf Netzhaut

Licht �Nervenreiz

Zuordnung Objektpunkte � Objekt

Vielfachsensor mit Vorverarbeitung

Einführung 6

Informations- und Energiefluss in der Automatisierungstechnik

SensorAktor

Steuerung Signalverarb.Ausgabeeinheit

Prozess

����: sekund: sekund: sekund: sekundäääärer Informationstrrer Informationstrrer Informationstrrer Informationsträäääger (ger (ger (ger (elektrisch)elektrisch)elektrisch)elektrisch)����: terti: terti: terti: tertiäääärer Informationstrrer Informationstrrer Informationstrrer Informationsträääägergergerger

����: prim: prim: prim: primäääärer Informationstrrer Informationstrrer Informationstrrer Informationsträääägergergerger

Einführung 7

warum brauchen wir weitere Sensoren?

Messbereichserweiterung der menschlichen SinneMessbereichserweiterung der menschlichen Sinne

Auge: � Nah-, Fernsicht� Empfindlichkeit� UV, IR

Ohr: � Frequenzbereichserwei-terung (Ultraschall)

� Empfindlichkeit

SpeicherungSpeicherung Kamera � Film/ChipMikrofon � CD

wenn keine menschlichen Sinne vorhanden sindwenn keine menschlichen Sinne vorhanden sind

Kernstrahlungelektrischer Strom, Spannung

LichtpolarisationMagnetfelder

Steuerung, ÜberwachungSteuerung, Überwachung

Einführung 8

Klassifizierung von Sensorenerfasste physikalische Größeerfasste physikalische Größe

z. B. Temperatur QuecksilberthermometerPt-100Thermoelement

physikalisches Wirkprinzipphysikalisches Wirkprinzip

z. B. Widerstand TemperaturKraft (DMS)Lichtstärke

AufgabeAufgabe

z. B. Brandmeldung TemperaturRauchStrahlung

Informationsträger des AusgangssignalsInformationsträger des Ausgangssignalsanalog elektrischdigital elektrisch

Einführung 9

Aktorenmechanisch:mechanisch: (Elektro)motoren

HydraulikPneumatik

thermisch:thermisch: Heizung

optisch:optisch: Leuchten

Ventile, Pumpen, Ventilatoren

akustisch:akustisch: Lautsprecher

Kühlung

Abdunklung, Verschattung

chemisch:chemisch: Be-/ Entfeuchten

Einführung 10

Themen der Lehrveranstaltung

� Kinematik:

� Dynamik

Sensoren zur Erfassung mechanischer Größen

Position, Weg, Geschwindigkeit, Beschleunigung ...

Näherungssensoren, Endschalter ...

Kraft, Drehmoment, Druck ...

Masse, Durchfluss ...

� Lichteigenschaften:

� Lichtverteilung

Sensoren zur Erfassung optischer GrößenLichtstärke, Farbe

Umrisse, Szenen

Anforderungen an Sensoren bei verschiedenen Aufgaben

Aktoren: Eigenschaften, Anforderungen

� Genauigkeit, Richtigkeit� Umgebungsbedingungen

Einführung 11

einige Begriffe:

(elementarer) Sensor, Messfühler(elementarer) Sensor, Messfühler

wandelt (nicht-elektrische) physikalische Größen in (analoge) elektrische Größen um physikalischer Effekt

Einführung 12

einige Begriffe:SensorsystemSensorsystem

Sensor und Elektronik zum Aufbereiten des elektrischen Signals

Einführung 13

einige Begriffe:MultisensorsystemMultisensorsystem

mehrere Sensorsysteme für bestimmte Aufgaben

Beispiel: Wärmemenge

Einführung 14

Anforderungen an Sensoren

hinsichtlich der Messaufgabehinsichtlich der Messaufgabe

MessbereichEmpfindlichkeit, Größe des Ausgangssignals

Genauigkeit, Auflösung

hinsichtlich Störungenhinsichtlich Störungen

"Querempfindlichkeiten" � Messgröße wird von ähnlichen Größen beeinflusst

Rückwirkung auf das Messobjekt

"echte" Störgrößen � Ausgangssignal hängt außer von der Messgröße von weiteren Größen ab

Kalibrierung

Einführung 15

Anforderungen an Sensoren

hinsichtlich des zeitlichen Verhaltenshinsichtlich des zeitlichen Verhaltens

Übertragungsfunktion: linearer Bereich, Grenzfrequenz, ResonanzenKriechen, Drift

Alterung, Verscheiß

hinsichtlich Systemintegrationhinsichtlich Systemintegration

Weiterverarbeitung des Ausgangssignals

Anzeigen, Bedienung

Wartung, Konfiguration, Anpassung vor Ort

Ausfallraten, Ausfallerkennung

LebensdauerReproduzierbarkeit

Einführung 16

Anforderungen an Sensoren

hinsichtlich Kostenhinsichtlich Kosten

Fertigung

Wartung, Einbau, Ersatz

hinsichtlich der Umgebunghinsichtlich der Umgebung

Größe, Miniaturisierung

Einbausituation

Schädigung durch Umgebungseinflüsse

Systemkosten: Herstellung – Einbau – Wartung – Ausbau – Schnittstellen –Entsorgung

Einzelkosten - Massenprodukt

Einführung 17

statisches Verhalten von SensorenMessgröße m: konstant während der Erfassung

"eingeschwungener Zustand"

ideal: AxgrößeAusgangsmMessgröße ~

real: "Offset"nicht linear, evtl. mit "Offset"

Extremfall: Sättigung

Hysterese

Einführung 18

Differenzmessung

Messen mit 2 Sensoren Messgröße x gegensinnig

Störgröße ϑ gleichsinnig

Einführung 19

dynamisches Verhalten

idealideal nur Signallaufzeiten verzögern Ausgangssignal

)()( 0ttmktxA −⋅⋅=

Übertragungsfunktion: 0

)()(

:)( tjA eksm

sxsF ω−⋅==

kjFsF =ω= |)(||)(|

0tω−=ϕ⇒)tan()(Re)(Im

:tan 0tsF

sF ω−==ϕ

Sensor "Nullter" Ordnung

Einführung 20

dynamisches Verhaltenreal (1)real (1) Sensor hat einen Energiespeicher

Messobjekt lädt Speicher

Ausgangssignal konstant wenn Speicher voll

-1 0 1 2 3 4 5 6

t /τ/τ/τ/τ →→→→

m, x

A →→ →→

Sensor "Erster" Ordnung

)1()( / τ−−⋅⋅= tA emktx

Sprungantwort

Einführung 21

dynamisches Verhalten

Übertragungsfunktion:s

sF⋅τ+

=1

1)(

Frequenzgang:)²(1

1|)(|

τω+=ωjF

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0,0001 0,001 0,01 0,1 1 10 100

τωτωτωτω →→→→

|F|

→→ →→

Einführung 22

dynamisches Verhalten

Phasengang:

)arctan()( τω−=ωϕ j

-135

-90

-45

0

0,0001 0,001 0,01 0,1 1 10 100

τωτωτωτω →→→→ϕϕϕϕ

→→ →→

DIN 19226: "Einschwingzeit" xA(tE) = 0,95.xA(∞) ttttEEEE ≈≈≈≈ 3333ττττGrenzfrequenz: |F(ωg)| = 0,95. |F(0)| ωωωωgggg ≈≈≈≈ 0,33/0,33/0,33/0,33/ττττ

Einführung 23

dynamisches Verhalten

real (2)real (2) Sensor stellt schwingfähiges System dar2 Energiespeicher, Dämpfung

3 charakteristische Frequenzen: ωf, ωd, ωres, δ

Sensor "Zweiter" Ordnung

modellhafte Beschreibung: mkxxx AAA ⋅=⋅β+⋅α+ &&&

mkxxx Af

Af

A ⋅=⋅ω

+⋅ω

δ+ &&& 22

12

Sprungantwort abhängig von der Dämpfung

SchwingungKriechenaperiodischer Grenzfall

Einführung 24

dynamisches VerhaltenSchwingung: δ < ωf

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

0 2 4 6 8 10 12 14

ωωωω ft →→→→

x A →→ →→

Kriechen: δ > ωf

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 2 4 6 8 10 12 14

ωωωω ft →→→→

xA →

→

→

→

Hz

Einführung 25

dynamisches VerhaltenÜbertragungsfunktion:

22

2

2)(

sssF

f

f

+⋅δ⋅+ωω

=

Frequenzgang:2222

2

)2()(|)(|

ω⋅δ⋅+ω−ωω

=ωf

fjF

0

1

2

3

4

5

0,1 1 10ωωωω /ωωωω f →→→→

|F|

→ → → →

Hz

Einführung 26

dynamisches VerhaltenEinschwingzeit (Schwingfall): mkemktx t

f

fA ⋅<⋅

δ−ωω

⋅= δ− 05,0)(ˆ 22

2

aperiodischer Grenzfall:mktxA ⋅< 05,0)(

Kriechfall:

0

10

20

30

40

50

60

70

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

δ/ωδ/ωδ/ωδ/ωf → → → →

ωωωωf. t(

0,95

) →→ →→

Einführung 27

dynamisches Verhalten

Grenzfrequenz: |F(ωg)| = 0,95. |F(0)|

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5

δ/ωδ/ωδ/ωδ/ωf →→→→

ωωωωg/ ωω ωω

f →→ →→

Einführung 28

Auswahlkriterien für Sensoren

MessgrößeMessgröße Welche Messgröße soll erfasst werden?Anwendungsbereich

Unterlast AnwendungsbereichÜberlastZerstörungMessbereich

statisch - dynamisch ���� MessfrequenzAuflösung (Signal, zeitlich, räumlich)

HilfsgrößenHilfsgrößen Kalibrierung

Drift, ReproduzierbarkeitVerstärkung, Signalverarbeitung, Ausgangssignal

StörungenStörungen Umwelt (Temperatur, Druck, Vibration...)EMV

���� physikalisches Messprinzipphysikalisches Messprinzipphysikalisches Messprinzipphysikalisches Messprinzip