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Praktikumsberichte ...

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Inhaltsverzeichnis Einleitung: ............................................................................................................................................... 1 Sensor Typen:.......................................................................................................................................... 1 Passiver „Induktiver“ Sensor:............................................................................................................. 1 Aktiver Sensor:.................................................................................................................................... 2 Feldplatten-Sensor: ........................................................................................................................ 2 GMR-Sensor (Riesenmagnetowiderstands-Sensor): ..................................................................... 2 Hall-Sensor: ..................................................................................................................................... 3 Stroboskop: ......................................................................................................................................... 3 Reflexlicht Sensor: .............................................................................................................................. 3 Drehmomentmesswelle: .................................................................................................................... 4 Versuch 1 (Drehzahlmessung): ............................................................................................................... 5 Versuch 2 (Drehmomentmessung): ....................................................................................................... 6

Ein Einleitun leitun leitung: g:

Abbildung 1: Versuchsaufbau

Im ersten Sensorik Praktikum haben wir an einem Messaufbau, mit stufenlosschaltbaren Getriebe, versuche, mit verschiedenen Sensoren, zur Drehzahl und Drehmoment Messung, gemacht. Dabei haben wir die Funktionsweise sowie Vor- und Nachteile eines aktiven und passiven Sensors, eines Hall-Gebers und einer Drehmomentmesswelle besprochen.

Sen Sensor sor TType ype ypen: n: Pas Passive sive siverr „Indu „Induktiver“ ktiver“ Sensor: Passive Induktive Sensoren bestehen aus einem Permanentmagneten (1), einer Magnetspule (2), und einem Polstift (3). Wenn sich nun die Zähne des Zahnrades (4) an dem Sensor vorbei drehen wird der Magnetspule bei jedem Zahn eine Spannung induziert die dann als Sinusförmiges Signal abgegeben wird. Der Vorteil dieser Sensoren ist das sie keine Versorgungsspannung benötigen. Allerdings geben sie bei langsamer Drehzahl nur ein undeutliches und bei stehendem Zahnrad gar kein Signal ab.

Abbildung 2: Induktiver Sensor

1

Akti Aktivver Sen Sensor: sor: Aktive Sensoren benötigen im Vergleich zum Passiven Sensor eine Versorgungsspannung. Größter Vorteil von aktiven Sensoren ist ein genaues Signal auch bei niedrigen Drehzahlen. Es sind verschiedene aktive Sensoren mit verschiedenen aber doch ähnlichen Funktionsweisen auf dem Markt. Die meisten aktiven Sensoren nutzen Widerstandsänderungen hervorgerufen durch die Einwirkung von Magnetfeldern.

Feld Feldpl pl platten atten atten-Sens -Sens -Sensor: or: Bei Feldplatten-Sensoren verändert sich der Widerstand der Feldplatten bei Einwirkung eines Magnetischen Feldes durch Ablenkung der Elektronen und dadurch eine Verlängerung der Elektronenbahnen. Abbildung 3: Feldplatten Sensor

GM GMR-Se R-Se R-Sens ns nsor or (R (Riesen iesen iesenmag mag magneto neto netowide wide widerstand rstand rstands-Sens s-Sens s-Sensor): or): Der GMR-Sensor ist aus zwei magnetischen Schichten, getrennt durch eine nichtmagnetische Schicht, aufgebaut und verändert seinen elektrischen Widerstand je nach Ausrichtung der Magnetfelder in den äußeren Schichten. Grundsätzlich richtet sich die Magnetisierungen der äußeren Platten in verschiedene Richtungen aus. Wird diese Ausrichtung nun durch ein Magnetfeld gleich gerichtet nimmt der Widerstand ab und kann als Signal verarbeitet werden.

Abbildung 4: Aufbau GMR-Sensor

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Hal Hall-Sen l-Sen l-Sensor: sor: Beim Hall-Sensor wird im Gegensatz zu den anderen hier vorgestellten aktiven Sensoren, das Signal nicht durch eine Änderung eines Widerstandes erzeugt sondern durch eine im Hall-Sensor erzeugte Spannung (Hallspannung). Wenn ein Magnetisches Feld auf den Hallsensor wirkt entsteht im Sensorelement, Quer zur Versorgungsspannung, die Hallspannung.

Abbildung 5: Funktion Hall-Sensor

Stro Stroboskop boskop boskop:: Das Stroboskop erzeugt ein, in der Frequenz einstellbares, Blitzlicht das auf die Drehzahl der Welle angeglichen werden kann und so die Drehzahl der Welle angibt. Diese Methode dient nur zur „Händischen“ Messung da das menschliche Auge als Referenz erforderlich ist.

Refle Reflexlicht xlicht Sen Sensor: sor: Der Reflexlicht Sensor sendet ein Lichtstrahl aus der auf ein, an der sich rotierenden welle befestigten, Reflektor gerichtet, bei jeder Umdrehung den Lichtstrahl an eine Photozelle zurück wirft und so die Anzahl der Reflexionen pro Zeit zählt und als Drehzahl ausgibt. In unserem Abbildung 6: Prinzip eines Reflexlichtsensors Versuch war dies ein Handgerät allerdings kann diese Methode auch zur genauen Signalausgabe an einer Steuerung genutzt werden.

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Dre Drehm hm hmome ome omentmes ntmes ntmesswelle swelle swelle:: Die Drehmomentmesswelle ermittelt das Drehmoment mit Hilfe von Dehnungsmessstreifen (DMS) und ist zusätzlich mit einem Optischen Drehzahlsensor ausgestattet wodurch auch eine direkte Leistungsbestimmung möglich ist (P=2π*n*M).

Abbildung 6: Drehmomentmesswelle mit aufgeklebten Dehnungsmessstreifen

Die DMS messen die Verformung an einer sich drehenden, genau definierten, Messwelle und werden zusammen mit der auswerte Elektronik über, an der rotierenden welle angebrachte, Spulen, durch Induktion, mit Spannung versorgt und geben ihre Signale durch Induktion oder optische Signale an das Umgebene Gehäuse zurück.

4

Ver Versuch such 1 (D (Dre re rehzah hzah hzahlme lme lmessu ssu ssung): ng): Im ersten versuch maßen wir die Drehzahl der Rotierenden Welle unseres Versuchsaufbaus mit sechs verschiedenen Methoden. Die Messung mit dem Induktiven und dem Magnetoresistiven Sensor mussten aus der Zeit von Zahn zu Zahn in Umdrehungen pro Minute umgerechnet werden. Sensor: Passiver Induktiver Sensor Aktiver Magnetfeld Sensor Stroboskop Multimeter Reflexlicht Sensor Mechanisches Tachometer Berechnung:

Drehzahl: 1168min-1 1170min-1 1168min-1 1167min-1 1167min-1 1150min-1

Versuchsdaten: 𝑍äℎ𝑛𝑒𝑧𝑎ℎ𝑙 𝑍 = 50 𝑍𝑒𝑖𝑡𝑎𝑏𝑠𝑡𝑎𝑛𝑑 ∆𝑡 = 1,56𝑚𝑠 1,56.1000.60 =769,23 U.𝑚𝑖𝑛−1 50

n=

5

Versuch 2 (Drehmomentmessung): Bei der Drehmomentmessung benutzten wir zum einen die Drehmomentmesswelle und als alternative eine definierte Welle zwischen zwei Zahnrädern deren Drehzahl und Zahnposition wir, mit zwei Magnetoresistiven Sensoren, auf einem Oszilloskop auslasen. Durch die Verdrehung der Zahnräder durch ein anliegendes Drehmoment und den Abmessungen. Berechnung: Versuchsdaten: 𝑍𝑎ℎ𝑛𝑟𝑎𝑑𝑑𝑢𝑟𝑐ℎ𝑚𝑒𝑠𝑠𝑒𝑟: 𝑑𝑎 = 183 𝑚𝑚 𝑊𝑒𝑙𝑙𝑒𝑛𝑑𝑢𝑟𝑐ℎ𝑚𝑒𝑠𝑠𝑒𝑟: 𝑑𝑖 = 10 𝑚𝑚 𝑊𝑒𝑙𝑙𝑒𝑛𝑙ä𝑛𝑔𝑒: 𝑙 = 150 𝑚𝑚 𝐷𝑟𝑒ℎ𝑧𝑎ℎ𝑙: 𝑛 = 𝑈. 𝑚𝑖𝑛−1 𝑃ℎ𝑎𝑠𝑒𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑐ℎ𝑖𝑒𝑏𝑢𝑛𝑔 𝜑 = 32 µs 𝑛𝑆𝑒𝑛𝑠𝑜𝑟 = 0,95 𝑁𝑚 Zahnradumfang: 𝑈 = 𝑑𝑎 ∗ 𝜋 = 183 𝑚𝑚 ∗ 𝜋 = 574,91 𝑚𝑚 Zahnrad-Umfangsgeschwindigkeit: 𝑐=

𝑚 𝑈∗𝑛 574,91 𝑚𝑚 ∗ 499 𝑚𝑖𝑛−1 𝑚 = 286,88009 = → 𝑐 = 4,7813348 𝑚𝑚 1000 𝑚𝑖𝑛 𝑠 1000 𝑚

Phasenverschiebung: 𝜑𝑉𝑒𝑟𝑠𝑐ℎ𝑖𝑒𝑏𝑢𝑛𝑔 𝑜𝑏𝑒𝑛

𝑚 32 𝜇𝑚 ∗ 4,78133 𝑠 𝜑∗𝑐 = 0,15300256𝑚𝑚 = 1000 1000

𝜑𝑉𝑒𝑟𝑠𝑐ℎ𝑖𝑒𝑏𝑢𝑛𝑔 𝑢𝑛𝑡𝑒𝑛 =

10 ∗ 𝜑 ∗ 1000 𝑑𝑎

10 ∗ 0,15300256 ∗ 1000 = 8,3607956 𝜇𝑚 183

=

Drehmoment: 𝑀=

11,96 𝜇𝑚 ∗ 𝜋 ∗ 81,5𝑁𝑚 (𝑎𝑢𝑠 𝑅𝑀 𝐵𝑢𝑐ℎ) = 1,275𝑁𝑚 150 𝑚𝑚 ∗ 16

M (N/M)

n

∆t (µs)

𝑈 ( 𝑚𝑖𝑛)

I (MA)

1

493

32

172

2

476,5

102

235 6

3

465,5

156

264

4

452

188

296

5

433

240

331

Diagrammtitel strom-Momement 350 300

strom

250 200 150 100 50 0 0

1

2

3

4

5

6

Momement

7...