Sensorik Lernzettel WS2021 PDF

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Ausführlich ausgefüllter Fragenkatalog, einige Fragen in Sprechstunde mit Prof. Manthei abgeglichen....

Description

Allgemeines

1. Druck-,Drehzahl,Drehmomentsensor 2.

  3.

Wandler (Eingang → Umformung → Wandlerelement → Ausgang)

z.B Potentiometer

Integrierter Sensor (Eingang → Umformung → Wandlerelement → Auswerteelektronik → Ausgang)

z.B Hallsensor

Intelligenter Sensor (Eingang → Umformung → Wandlerelement → Auswerteelektronik → ADC → Mikrorechner → Ausgang) z.B Heißfilm-Luftmassenmesser

Der Sensor erfasst die physische Veränderung in der Umgebung, während der Wandler die eine Energieform in eine andere umwandelt.  Die Hauptunkton des Sensors besteht darin, die physikalischen Änderungen zu erfassen, während der Wandler die physikalischen Größen in ein elektrisches Signal umwandelt.

4.

Aktiv:

   

enthalten intern verstärkende oder Signalformende Bauelemente werden mit einer Stromversorgung betrieben Sensorsignal ist durch eine im Sensor integrierte Elektronik ein Rechtecksignal z.B Hallsensor

   

Passiv: enthalten nur passive Elemente (Spule, Widerstand,Kondensator) Signale werden in den meisten Fällen als analoge Spannung ausgegeben werden ohne eine Stromversorgung betrieben z.B Temperatursensor

5. •Eindeutig und reproduzierbar

•Ausgangsgröße nur von einer Eingangsgröße abhängend •Kleine Rückwirkung auf die zu messende Größe 6. •Linearität zwischen Eingangs- und Ausgangsgröße

•Störungsunempfindlich •Normierung des Ausgangssignals •Einfache Stromversorgung (Maschinenbau 24 V) •Funktionskontrolle (Leuchtdiode am Sensor, Fernabfrage) 7. •geeigneter Messbereich

•Empfindlichkeit, •Größe des Ausgangssignals Genauigkeit, •Auflösung Kalibrierung 8. •Kriechen, Drift

•Alterung, Verschleiß •Ausfallraten, Ausfallerkennung •Lebensdauer, Reproduzierbarkeit 9. •Abstand von zwei Eingangswerten z.B (0…10V)

•Auflösung beschreibt Wert, ab dem zwei benachbarte Messwerte unterschieden werden können. •Definiert also die kleinst-mögliche Differenz, die eindeutig erkannt wird. •Im Allgemeinen in Prozent vom Messbereich •Rauschanteil bestimmt Auflösung -> Auflösung= (Rauschanteil/Max.wert) x 100% 10. Auflösung= 20 mV / 10 V = 0,002 bzw. 0,2% 11. 10 bit = digit 0-10 V ≈1000 digit 1digit = 10 V / 1000 = 0,01 V/digit = 0,1 %

12.

- Nullpunktfehler - Steigungsfehler - Linearitätsfehler - Hysteresefehler

13. -Linearität ist Indikator für die Leistungsfähigkeit eines Messsystems.

-Wert steht für den maximalen Fehlerwert zwischen einem idealen Wert und dem tatsächlich gemessenen Wert 14. -

15. -

-

16. -

-

Induktiv/ Induktivität L Magnetisch/ magn. Flussdichte B Piezoresitiv/ Widerstand R Kurbelwellendrehzahlsensor Raddrehzahlsensor Nadelbewegungssensor

Stabform Gabel- oder Schrankenform Innen- oder Außenringform

17. Funktionsweise

18.

-

Absolut: Die Drehzahl eines Aufzuges mit Asynchronmotor und Absolutwertgeber kann durch eine Maßstabsscheibe auf der Motorwelle, auf der jede Position absolut kodiert ist (binär), gemessen werden. Es ist keine Referenzfahrt erforderlich.

-

Relativ: Die Drehzahl eines Aufzugs mit Asynchronmotor und Inkrementalgeber kann nach anfänglichem Festlegen eines Referenzpunktes, z.B. durch Anfahren eines Näherungsschalters, mittels Impulszählung gemessen werden.

19.

Aktiv (Hallgeber am Beispiel Stanzblech): -

-

Wenn sich Blende zwischen Dauermagneten und dem Hall IC befindet kann kein Magnetfeld auf Hall-IC einwirken, Strom fließt von + auf – Wenn sich Rotorblende dreht und Fenster zwischen Dauermagneten und Hall IC befindet kann Magnetfeld auf Hall IC einwirken und Stromfluss wird auf Signalleitung umgeleitet. Es liegen also nun z.B 5 V auf Signalleitung Wenn sich jetzt wieder Blende zwischen D und H-IC schiebt bricht Spannung wieder ab und es liegen 0 V an Signalleitung an Durch Wechsel von 0 auf 5 V entsteht direkt eine Rechteckspannung und diese kann besser verarbeitet werden Sensor misst somit Feldstärkenunterschied

Passiv (Induktivgeber): -

Wenn magnetischer Gegenstand in Magnetfeld vom Induktivggeber eindringt entsteht eine Induktionsspannung, z.B Impulsrad/Inkrementenrad an Kurbelwelle

-

Dadurch dass leitender Gegenstand in Magnetfeld eindringt (Zahn) und wieder heraus (Luftspalt) entsteht eine Sinusspannung (Wechselspannung)

-

Bei Bezugsmarke kann keine Spannung induziert werden (erkennbar in Diagramm)

-

Bei steigender steigender Drehzahl steigt Frequenz UND Amplitude

-

(Signal durch Wechsel des Magnetfelds)

20. Passiv:

-

Vorteile: Geringe Herstellkosten Hohe EMV-Störsicherheit durch niedrigen statischen Widerstand Nachteile:

-

Drehzahlabhängigkeit des Ausgangsignals Empfindlichkeit gegenüber Luftspaltschwankungen

Aktiv:

-

Vorteile: Liefert direkt Rechteckspannung, die besser vom Steuergerät verarbeitet werden kann Unempfindlich gegenüber Luftspaltschwankungen

-

Nachteile: Niedrige Empfindlichkeit Versorgungspannung nötig

-

Messkörper ist Teil des rotierenden Antriebstrangs Wird durch das zu messende Drehmoment elastisch verformt Auftretende Dehnung wird mit DMS erfasst

-

Drehmomentaufnehmer besteht prinzipiell aus drehbaren Messkörper, dem Rotor, und einem als Stator bezeichnetem Gehäuse Messkörper können beliebig geformt sein, müssen jedoch Fläche aufweisen, wo DMS angebracht werden können Für Übertragung der Versorgungspannung und Messignals werden Schleifringsysteme sowie berührungslos arbeitende Systeme verwendet

-

21.

22.

-

23.

24.

-

25.

Bergbau und Technik (Kontrolle von Aufzügen) aktiven Lautsprechern zur Klopfregelung bei Ottomotoren zum Erfassen von Erschütterungen, lokalen Erdbeben Neigungsmessungen in statischen Systemen

26.

-

27.

-

Bimporphsensors Longitudinalsensor Transversalsensoren Ultraschallsensoren

-

Masse und Geschwindigkeit :

Stellsonseren

28.

29.

Beschleunigungssensoren messen die durch eine Beschleunigung a auf eine träge Masse m ausgeübte Kraft F: F = m xa

30.

31.

m: Masse p: Dämpfungsfaktor c: Federkonstante

32.

-

D=0,5-0,7

-

Schraube Schraube mit Unterlegscheibe Bienenwachs

-

garnicht

33.

34.

35. resonanzfrequenz geht ins niedrige und es wird etwas breiter..l

? 10 db= 3,16 db 10^6/20 36.

w 37.

-

Um das Ursprungssignal korrekt zu wandeln, dürfen im abgetasteten Signal nur Frequenzanteile vorkommen, die kleiner als 0,5 x der Abtastfrequenz ist

-

Kommen allerdings Frequenzanteile vor, die größer als 0,5 x der Abtastfrequenz sind, so werden diese als niedrigere Frequenzen interpretiert. Die höheren Frequenzen geben sich sozusagen als eine andere (niedrigere) aus, daher die Bezeichnung Alias.

-

Abkürzung IEPE steht für Integrated Electronics Piezo Electric

-

Bezeichnet Industriestandard für piezoelektrische Sensoren mit eingebauter Impedanzwandler-Elektronik.

-

Piezoelektrische Sensoren messen grundsätzlich nur Kräfte. Damit er Druck messen kann, muss erst über eine Membran der Druck proportonal in eine Kraft umgeformt werden

-

Widerstandsänderung eines Werkstoffs infolge Dehnung der Leiterbahn Je länger die Leiterbahn (kleiner die Breite), desto höher der Widerstand

–

für p= const :

-

Metallfolien Konstantan DMS: 2 Halbleiter DMS: 100…200 Proportonalitätsfaktor /Verstärkungsfaktor

-

Kork : 0,00

38.

39.

40.

41.

42.

43.

-

Stahl: Gummi:

-

Temperatureinfluss wird mit einer einer Wheatstone-Brücke kompensiert Außer dem gedehnten DMS ein weiterer – im einfachsten Falle ungedehnter – DMS eingesetzt wird. Wenn beide DMS derselben Temperatur ausgesetzt werden, fällt bei Differenzbildung der gleich große Temperatureinfluss heraus.

-

Kriechen (Material) Grenzfrequenzen Temperatureinflüsse Feuchtgkeit (chemischer Einfluss)

44.

45.

46.

- Dünne Kleberschicht - Dünner Träger - ausgerichtet angekoppelt (richtungsabhängikeit)

47.

Vorteil: Bietet größtes Ausgangssignal und bestmögliche Kompensaton von Temperatureinflüssen und mechanischen Störeinflüssen. 48.

-

49.

-Halbleiter DMS, da unempfindlich gegenüber Kriechen - Metallfolien DMS ebenfalls möglich

50.

-

Direkt (Absolut) : Linearmaßstab, linearer Verstellweg direkt am Schlitten gemessen Maßstab wird photoelektrisch abgetastet Indirekt: Gemessen wird eine von der Strecke abhängige Größe wie – Umwandlung von Verfahrweg in Drehbewegung, oder Laufzeit eines Laserstrahls

51. –optsche Wegmessung (

-

Piezoelektrisch Induktve Wegmessung

-

Triangulaton bedeutet Abstandsmessung durch Winkelberechnung. In der Messtechnik projiziert ein Sensor einen Laserpunkt auf das Messobjekt . Das dort reflekterte Licht trifft abhängig von der Enternung unter einem bestmmten Winkel auf ein Empfangselement. Durch die Positon des Lichtpunktes auf dem Empfangselement und aus der Distanz von Sender zum Empfangselement wird der Abstand zum Messobjekt im Sensor berechnet.

52.

-

53.

-

Bauwesen Geschwindigkeitsmessung Werkzeugbau ( Maßhaltgkeit)

54.

Inkremental (relativ): - Rastermaßstab mit Hell-Dunkel-Feldern - Zähler zählt Anzahl der Inkremente zwischenvzwei Positonen - Kein Bezug zum Nullpunkt der Maschine - jede Positon kann Ausgangspunkt für Messung sein (Kettenmaßprinzip) Absolut: - Codemaßstab bzw. codierter Winkelgeber jede Positon der Achse zum Masch.-Nullpunkt durch einen binär- codierten Zahlenwert gekennzeichnet - Lagewertmeßverfahren - für jede Codespur eine Photozelle Kein Referenzpunkt anfahren erforderlich

55.

-

Ultraschallsensoren arbeiten nach Prinzip der Laufzeitmessung von hochfrequenten Schallimpulsen. Der Ultraschallsensor strahlt zyklisch einen kurzen, hochfrequenten Schallimpuls aus.

-

-

-

Dieser pflanzt sich mit Schallgeschwindigkeit in der Luft fort. Trifft Ultraschallimpuls auf einen Gegenstand, wird er reflektert. Das so entstehende Echo wird vom Sensor wieder aufgenommen und aus der Zeitspanne zwischen dem Senden und dem Empfangen des Schallimpulses, wird der Abstand zum Objekt berechnet. Hauptaufgabe von US-Sensoren ist Füllstand von Behältern zu messen

Radarsensoren senden kurzen Radioimpuls mit sehr hoher Impulsleistung aus. Durch Richtwirkung der Antenne wird dieser Impuls in nur eine bestmmte Richtung gebündelt. Dieser Impuls breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit in diese Richtung aus. Wenn sich in dieser Richtung ein Hindernis befindet, wird ein Teil der Energie des Impulses in alle Richtungen zerstreut. Ein sehr kleiner Teil wird auch zurück reflektert zum Radar. Die Radarantenne empfängt diese Energie und das Radar wertet die darin enthaltene Informaton aus Beispiel einer Anwendung ist die Luftraumkontrolle

56.

Unterschied von Faktor

57.

-

Jeder Satellit sendet laufend Datenpaket aus, das u.a. Sendezeit und die augenblickliche Positon des Satelliten enthält. Empfänger auf der Erde bestmmt die Ankunftszeit des Signals. Aus der Laufzeit (zwischen 0,067 s und 0.086 s) ergibt sich dann die Enternung zum Satelliten. Mit drei solcher Messungen zu verschiedenen Satelliten kann man die Positon des Empfängers im Raum bestmmen

58.

-

10^-8 s

59.

-

Generelle Funktonsweise eines Interferometers besteht darin, dass Lichtwelle in zwei Teile aufgeteilt wird. Diese zwei Wellen werden durch zwei getrennte optsche Wege geführt. Dies gelingt mit Spiegeln oder halbdurchlässigen Platten Die Teilstrahlen werden am Wegende durch weitere Spiegel reflektert, es kommt zur Phasenverschiebung. Werden diese dann wieder zusammengeführt, kommt es zur Interferenz. Verändert man die optsche Weglänge einer der beiden Wellen, z.B. indem man einen der beiden Spiegel verschiebt, so verschieben sich die Phasen der beiden Wellen gegeneinander. Sind sie nun in Phase, so addiert sich ihre Amplitude (konstruktver Interferenz) Sind sie jedoch gegenphasig, so löschen sie sich gegenseitg aus (destruktve Interferenz).

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Wie ist die Atmosphäre im Einsatzgebiet? Feucht, heiß, Staub in der Luft? Ist die Oberflächenbeschaffenheit der Messobjekte konstant? Spiegelt die Oberfläche des Messobjekts? Ist das Messobjekt schalldämmend? Watte, Schwamm etc. ? Ist es nötg die Größe der Messobjekte zu unterscheiden?

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Messung erfolgt mit Kombinatons-Sensor (Wirbelstrom-Wegsensor und LaserWegsensor) Wirbelstromsensor misst den Abstand zum Stahlrahmen und hat in der Mitte eine Öffnung, durch die der Lasersensor den Abstand zur Puverbeschichtung misst. Beide Signale subtrahiert ergeben die Dicke der Pulverbeschichtung Wirbelstromsensoren : Sensorkopf induziert Wirbelströme in elektrisch leitähigen Objekt, Joulsche Verluste verändern sich proportonal zum Abstand, was erfasst und gemessen wird.

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60.

61.

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-

-

62.

Triangulaton, siehe 52.

- Auswahl: Wirbelstromsensor. Das leitähige Material sorgt für eine Wirbelstromindukton. Eine Impedanzverschiebung des Wirbelstroms sorgt für einen Dämpfungseffekt, was ein Spannungsabfall zur Folge hat. Spannungsänderung wird als Ausgangssignal dargestellt....