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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.
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Sensoren und Akt[uat]orenVorlesungen und Labor Ingenieurswesen-Abteilung - FILS(3-ten Semester)Studienplan:14 x 1 = 14 Stunden Vorlesung 14 x2 = 28 Stunden Labor
Stoffplan:1. Einleitung. Elektrische Messung nichtelektrischer Größen.2. Meßfühler. Übersicht über passive und aktive Aufnehmer-Prinzipien. Messchaltungen.3. SensorenfürgeometrischeMeßgrößen und mechanischeBeanspruchung, 4. Temperaturmessung 5. Optische und Strahlung Sensoren6. IntelligenteSensorsysteme7. Aktoren8. Typische Sensoren und Aktoren der Robotik 9. Feldbussysteme
AufnehmerMechanische, thermische, induktive, magnetische, kapazitive und chemische Effekte können durch ihre Wirkung auf elektrische Bauteile zur Messung nichtelektrischer Größen verwendet werden.Dabei steuert (passiv) oder erzeugt (aktiv) die nichtelektrische Größe das elektrische Signal des jeweiligen Aufnehmers, Gebers, Fühlers, Detektors oder Sensors.Passive Aufnehmer (parametrische Sensoren) sind auf eine elektrische Energieversorgung angewiesen, aktive Aufnehmerkommen hingegen ohne elektrische Hilfsenergie aus.Der Aufnehmer wird charakterisiert durch den Zusammenhang zwischen der gemessenen nichtelektrischen Größe und dem abgegebenen elektrischen Signal. Dieser Zusammenhang kann in Form einer Gleichung,einer Tabelle oder einer Kurve als Kennlinieangegeben werden.
Klassifikation von Sensoren• Messgröβen• Sensorprinzipien• Herstellungstechnologie• Signalformen, Schnittstellen• Anwendungsbereiche• Eigenschaften, Merkmale• Güteklassen• Kosten
Klassifikation wichtiger Messgröβen:• Mechanische Gröβen• Thermische Gröβen• Elektrische Gröβen• Chemische und physikalische Gröβen
Übersicht zur Klassifikation wichtiger Meβgrössen nach Isermann, 2008
Eigenschaften von Sensoren• Statisches Verhalten• Dynamisches Verhalten• Güteklassen, Messbereich• Überlastbarkeit• Kompatibilität zu nachfolgenden Komponenten• Umwelteinflüsse• Zuverlässigkeit
Eigenschaften von Sensoren nach Isermann, 2008
Um die aufgelisteten Eingangs- und Ausgangsgrößen miteinander zu verknüpfen sind sehr verschiedene physikalische Effekte einsetzbar. Entsprechend unterscheidet man kapazitive,induktive und resistive Sensoren, piezoelektrische, magneto-resistive, thermoelektrische und photoelektrische Sensoren und Hallsensoren.Sensoren können berührungslos oder berührend arbeiten, sie können aktiv oder passiv sein
Eine Umformung der zu messenden Größe in eine nicht-elektrische Zwischengröße ist bei indirekten Messverfahren erforderlich.
Pasive Aufnehmer. Ohmsche Widerstands-MeßfühlerDer Meßfühler-Widerstand: • Bei direkter Beeinflussung des Meßfühlerswiderstand durch physikalische Einflüsse kann R verändert werden: • mechanisch über die Länge l und/oder der Querschnitt A • thermisch über die Temperatur • optisch über die Leitfähigkeit
Ohmsche Widerstands-MeßfühlerDie entstehende Widerstandsänderungen R von ohmschen Meßfühlern werden in verschiedenen Meßschaltungen erfaßt: Spannungsteiler-Meßschaltungen Widerstands-Meßbrückenschaltungen Meßschaltungen für Fernübertragung der Meßwerte Kompensationsschaltungen Widerstandsmessung mit Operationsverstärker
Ohmsche Widerstands-MeßfühlerSpannungsteiler-Meßschaltungen:unbelasteter SpannungsteilerR0 = R1 +R2 mit dem Lastwiderstand R3 = konstante Speisespannung U0 die bezogene Teilspannung: U2 =U0 (R2 /R0) Die Kennlinie U2 =f (R2) ist hierbei linear.
Widerstands-Meßbrückenschaltungen:a) Die selbstabgleichende Meßbrücke b) Die Brückenschaltung nach der Ausschlagsmethode
a) Die selbstabgleichende Meßbrücke:- Die Diagonalspannung U5 treibt über den Verstärker V den Nullmotor M so lange, bis dieser durch Verstellen des Abgleichwiderstandes R den Abgleich bei U5 = 0 hergestellt hat
b)Die Brückenschaltung nach der Ausschlagsmethode :-Messung von kleinen Widerstandsänderungen R/R- Messung der Diagonalspannung mit dem Ausgabegerät AG- um für den Nullabgleich, der zu Beginn jeder Messung vorgenommen wird, nicht die Brückenwiderstände R1..R4 verändern zu müssen, ergäntzt man die Meßbrücke mit den Abgleichwiderständen Ra und Rb.
b)Brückenschaltungen nach der Ausschlagsmethode :Viertelbrücke (quarter-bridge circuit)Zweiviertelbrücke Halbbrücke (half-bridge circuit)Vollbrücke (full-bridge circuit)
Viertelbrückean dem durch eine physikalische Meßgröße veränderten Mewiderstand R1’=R1+R1 entsteht die Spannungsabfall U1’ und dadurch die Diagonalspannung U5.
Vollbrücke an der durch eine physikalische Meßgröße veränderten Meßwiderstande R1’=R1+R1 ; R2’=R2-R2 ; R3’=R3-R3 und R4’=R4+R4 entsteht die Diagonalspannung U5
Aufgabe (http://www.schiessle.de/)Ein häufig in der Praxis auftretendes Problem ist die Fehldiagnose in Messbrückenschaltungen mit Dehnmessstreifen (DMS), d. h. das Erkennen von unterbrochenen Brückenzweigen, wenn die Leitungen der Brückenschaltung nicht markiert sind.
Aufgabe (http://www.schiessle.de/)Die nachfolgende Tabelle zeigt die Messungen der DMS-Widerstände in den vier Brückenzweigen, unter der Voraussetzung, dass keine Hilfsschaltungen angeschlossen sind und keine Speisespannung anliegt.Anschlüsse A-B C-D A-C A-D B-D B-C DMS-Widerstandswerte 240W 240 W 120 W 120 W 120 W 360 Wa) Bestimmen Sie, mit Hilfe der in der Tabelle zusammengestellten Messungen, den unterbrochenen DMS bzw. DMS-Zweig.b) Kennzeichnen Sie den unterbrochenen DMS-Zweig (mit der Farbe Blau) in der oben dargestellten DMS-Brückenschaltung.
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: der Querschnitt A, die Länge l des magnetischen Kreises und die relative Permeabiltät µr.
