Weg, Abstand, Winkel

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Einsatzgebiete Weg-, Abstand- und Winkelmessung	Automation: Positionserkennung, Werkstückerkenung, Drehzahlmessung Automobil, Werkzeugmaschinen, Zugleitsysteme, Flüssigkeitsstand, Sicherungssysteme (automat. Türen, Maschinen)
Messprinzipien Weg-, Winkel- und Abstandssensoren	Weg- und Winkel: potentiometrisch, induktiv, kapazitiv, inkrem. o. abs. optische Sensoren Abstandsensoren: induktiv, kapazitiv, optisch, Ultraschall
Auswertung der Sekundärgröße	über Messverstärker: Wechselspannungsbrücke, Trägerfrequenzbrücke, Ladungsverstärker, Trägerfrequenzverfahren...
Potentiometrische Sensoren - Messprinzip und Aufbau	Messprinzip: Änderung des elektr. Widerstands durch Weg oder Winkel - Auswertung über das ohmsche Gesetz: R = rho.l / A (rho=spez. Widerstand) Aufbau: Widerstandsdraht aufgewickelt auf einem geraden oder kreisförmigen Körper; Leitplastik: Widerstandsschichten aufgetragen auf Trägermaterial, enge Fertigungstoleranzen -> gute Linearität <0,05% - Mehrgangpotentiometer: Drahtwendel mit mehreren Umdrehungen zB Motor+Getriebe dem Schleifer vorgeschaltet - Basis: Widerstand als Spannungsteiler, hochohmige Auswertung
potentiometrische Sensoren - Vor- und Nachteile	Vorteile: sehr gute Linearität (bis zu 0,025%), billig, Schleifgeschwindigkeit < 10m/s (hoch), belastbar mit 100 Mio. Einstellvorgängen, Auflösung von 0,01mm bei einem max. Messbereich von 1m, einfache Auswertung (Spannungsmessung) Nachteile: berührender Sensor = Verschleiß, bedingt geeignet für oszillierende Größen, empfindlich auf Vibrationen u. Beschleunigung, Querempfindlichkeit (auf Temp.), Stell- und Losbrechkraft nicht vernachlässigbar (um Schleifer zu bewegen), Schleifer kann abheben
Was ist ein Resolver? Wo wird er eingesetzt?	Drehzahlmesssystem Messprinzip: Drehtransformer, Statorwicklungen sind um 90° versetzt, analoges Ausgangssignal wird oft digitalisiert, bürstenlose Ausführung (induktiv), wartungsfrei Vorteile: sehr robust, auch in heißer, feuchter oder öliger Umgebung einsetzbar Nachteile: groß, teuer, schwer, beschränkte Genauigkeit Einsatzgebiet: Winkelkodierer, Winkelgeber, Drehzahlmessung
Resolver Converter	Converter wandeln die analgoe Winkelinformation in digitale Inofrmation um und umgekehrt Resolver to Digital Converter (R/D) Digital to Resolver Converter (D/R) - Aufbau als Modul, Hybrid oder IC
Induktive Sensoren - Messprinzip und Bauformen	Messprinzip: 1-3 Spulen-Systeme, Änderung der Selbstinduktivität L oder Gegeninduktivität M durch Weg, Abstand oder Winkel Auswertung: durch Wechselspannungsbrücken, Phasendetektoren Bauformen: induktiver Längs- oder Querankeraufnehmer, Differentialtransformator, Wirbelstromaufnehmer, induktiver Näherungsschalter
Induktiver Längsankeraufnehmer - Messprinzip	Änderung der Selbstinduktivität L durch Flußänderung Aufbau: lange schmale zylindrische Spule mit einemweichmagnet. Stößel, dieser wird bewegt und erzeugt so einen magn. Kurzschluss durch den größeren Luftspalt Je größer der Luftspalt umso größer ist der magn. Widerstand und desto kleiner ist die Induktivität.
Eigenschaften des induktiven Längsankeraufnehmer	- Berührungslose Wegmessung - Messbereich 1-2000mm - Nichtlinearität +- 1% - Auflösung +-1mym - Frequenzbereich kHz bis 100 kHz - Thermsicher Gesamtfehler +-2% (-50 - 150°C) Verbesserung des Systems durch Verlängerung des Kerns, oder Erweiterung auf 2 Spulen (bessere Linearität, doppelter Messbereich, kann in Brücken ausgewertet werden)
Querankeraufnehmer	selbes Prinzip wie Längsankeraufnehmer, jedoch sehr geringe praktische Relevanz wird hauptsächlich für leitende Materialien erwendet, dh die Auswertung erfolgt nach dem Wirbelstromverfahren
Wirbelstromaufnehmer: Messprinzip, Eigenschaften	Messprinzip: zeitlich verändertes Magnetfeld wird durch die induzierten Wirbelströme im elektr. leitenden Kern bedämpft, die Flussreduktion bewirkt Reduktion der Induktivität Eigenschaften: Messbereich von 1mym bis 20mm (sehr klein), dynamisch u. hochfrequente Wegmessung, kleine dynamische Wegänderungen, sehr kleine Schwinungsamplituden
praktische Anwendung des Wirbelstromaufnehmers, Zusammenhang Material zu Induktivitätsänderung	Anwendung: hauptsächlich Querankerbauweise für berührungslose Dickenmessung oder Rissfindung in Bauteilen. Zusammenhang: Ein hochpermeables Messobjekt, das beim Querankerverfahren an die Spule heran gebracht wird führt zu einer Induktivitätssteigerung, ein leitendes Messobjekt zu einer Induktivitätssenkung.
Differentialtransformator: Aufbau, Messprinzip	- zwei gegenphasige Sekundärspulen - Ausgangsspannung proportional zur Differenz der Kopplungsfaktoren Messprinzip: Änderung der Gegeninduktivität durch Änderung der Kopplung, Verschieben eines Weicheisenkerns zwischen einer Primärspule und zwei Sekundärspulen eines Transformators LVDT = Linearer variabler Differentialtransformator
Differentialtransformator: Signalauswertung und Anwendung	- Ansteuerung über sinusförmige Spannung, phasenabhängiger Gleichrichter (checkt die Phasenlage, ob +/-) - Anwendungen: berührungsfreie Wegaufnehmer (einige mm bis 500mm), Drucksensor, Füllstandssensor, Durchflusssensor erweiterter Messbereich durch mehrere Primär- und Sekundärspulen, Ansteuerung und Auswertung über μP (Korrektur des Linearitätsfehlers)
Induktive Näherungssensoren: Messprinzip	- Generieren eines lokalen magn. Feldes - Frequenzbereich 2-500 kHz - Annäherung führ zu Flussänderung: ferromagnetische Metalle zu Flusserhöhung, elektr. leitende Metalle zu Flussreduktion (Problem wenn magnetisch und leitend) - Erkennungsbereich von 1 bis 100mm, entspricht ungefähr dem Spulendurchmesser
Induktive Näherungssensoren: Aufbau	- Aufbau: ähnlich Querankeraufnehmer - Spule + Oszillator + Gleichrichter + Schaltverstärker - es kommt zum Bedämpfen eines HF-Oszillators durch ein gut leitfähiges oder permeables Material -> Induktivitätsänderung. Nach einer Gleichrichtung der Oszillatorspannung wird diese einem Schaltverstärker zugeführt. Der liefert abhängig vom Abstand entweder 0 oder SPS-taugliche 24V.
Induktive Näherungssensoren	Vorteile: robust, billig, zuverlässig, kontaktloses Verfahren, unempfindlich gegen Störungen Nachteile: dielektrische Materialien werden nicht erkannt, benötigt mehr Leistung als kapazitive Näherungssensoren, Material beeinflusst Messergebnis
Kapazitive Sensoren: Messprinzip	- Plattenkondensator ist abhängig von Fläche, Plattenabstand, Dielektrizitätskonstante, rel. Dielektrizitätskonstante - Kapazitive Sensoren variieren einen der drei Parameter: Verschiebung, Plattenabstand ändern, Dieelektrikum im Sensor ändern - Messprinzip: Änderung der Kapazität durch Weg, Abstand, Winkel - Auswertung: durch Wechselspannungsbrücken, Phasendetektoren, Ladungsmessung, Trägerfrequenzverfahren
Kapazitive Sensoren: Bauformen	- Zweiplattenmikrometer, Dreiplattenmikrometer - Kap. Füllstandsaufnehmer - Kap. Drehratensensor - Kap. Drehwinkelsensor - Kap. Näherungsschalter
Kap. Füllstandsaufnehmer: Messprinzip, Vorteile/Nachteile	Messprinzip: Veränderung des Dielektrikums (Flüssigkeit), Aufbau als Rohrkondensator, Parallelschaltung zwischen luftgefülltem und flüssigkeitsgefülltem Kondensator + Füllstandskontrolle in rauher Umgebung (Benzin,...), billig - nicht sehr genau
Kap. Füllstandsaufnehmer: Aufbau, Auswertung, Eigenschaften	- Aufbau als Rohrkondensator: Cges = C0 + kx Teil in der Flüssigkeit, Teil in der Luft - Auswertung über Brücke, Impendanzmessung, Phasendetektor, Ladungsverstärker - Eigenschaften: Kapazität proportional zu Füllstand, einfacher Aufbau, erfordert Flüssigkeiten mit eta größer 1 (besser zu detektieren), erfordert konstantes eta (Problem bei Schwankendem Mischverhältnis und Verunreinigungen), bewegte Flüssigkeit verfälscht Ergebnis (Luftblasen), Kalibrierung notwendig
Kap. mikromech. Drehratensensor - Prinzip	- Prinzip: Drehimpulserhaltung, ein Körper der sich um die z-Achse dreht, reagiert auf eine aufgezwungene Drehung um die y-Achse mit einer Drehung um die x-Achse -> Rotor oszilliert (Kreiselgesetz). Die Bewegung wird mit Elektroden unter dem Rotor detektiert. zur Auswertung der Kapazität wird das Prinzip des Differentialkondensators genutzt.
Kap. mikromech. Drehratensensor - Aufbau u. Einsatzgebiet	- Siliziumplättchen (unter 1mm) - Im Zentrum ist Masse auf Federgelenk aufgehängt. Schmetterlingsförmiger Rotor, 4 Kammantriebe (zur Anregung der Drehschwingung) - Oszillation von 150 μm Einsatzgebiet: Überrollsensierung, ESP
Kap. Näherungssensor - Messprinzip	- Veränderung des Dielektrikums (nicht leitend oder leitend) - Veränderung der Kapazität einer komplexen Anordnung - Auswertung über Oszillatorschaltungen: Zwei RC- oder LC-Oszillatoren, einer mit Messkapazität, Frequenzdifferenz Maß für Position - Frequenzmessung eines Oszillators über Periodenmessung mittels Vergleichsoszillator (Quartz) 1 Oszillator ändert sich nicht, 1 Oszillator schwingt mit einer anderen Frequenz - Vergleich/Differenzmessung
Kap. Näherungssensor - Anwendungen	Näherungs- und Endschalter, Industrieautomation - Fertigungsstraßen, Zähler, Füllstandskontrolle: Reichweite hängt von der relativen Dielektrizitätskonstante des Mediums ab, Messung durch dünne Wände möglich
Kap. Näherungssensor - Betätigungsvarianten	Abhängig vom Material der Schaltfahne ergibt sich eine unterschiedliche Beeinflussung der Kapazität. Dielektrische Schaltfahne: kleinste Kapazitätsänderung Leitende geerdete Schaltfahne: größte Kapazitätsänderung
Kap. Näherungssensoren - Vor- und Nachteile	+ detektiert leitende und nicht leitende Objekte + für kleine Objekte geeignet, berührungslos + Reichweite ist vom Objekt abhängig - nicht fokussierbar - anfällig gegen Schmutz, Staub, Feuchtigkeit, elektr. Störfelder
Ultraschall als Abstandsmesser	Einsatz in Überwachungstechnik (Alarmanlagen) Auswertung der Reflexion von Ultraschallsignalen über piezoelektr. Wandler Auswertung von: Pulslaufzeiten, Dopplerverschiebung zur Messung der Geschwindigkeit von bewegten Objekten 1. Sender-Empfänger gegenüberliegend 2. Sender-Empfänger in einem Gerät
Radar	Bereich Mikrowelle ca. 12 GHz - Einsatz in der Flugüberwachung, Verkehrsüberwachung - Auswertung des Radarechos: Laufzeit (Lokalisierung von Objekten), Echo (Anwesenheit von Objekten) schmaler, gebündelter Strahl: DM abhängig von erwarteter Objektgröße Dopplerverschiebung wird genutzt (Geschwindigkeitsmessung)

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