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Vorlesung: Sensoren und Aktuatoren 2013-2014
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Sensoren und Akt[uat]orenSensoren 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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Vorlesungen-Schwerpunkte:
Elektrisches Messen nichtelektrischer Größen: Ohmsche-, Induktive-, Kapazitive, Aktive- und Piezoelektrische Meßfühler; Dehnungs- ,
Weg- und Temperaturmessung und damit verbundenen Sensor-Aktor-Systeme.
Computergesteuerte Meßtechnik. Feldbussysteme
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Stoffplan:Stoffplan:1.1. Einleitung.Einleitung. Elektrische Messung nichtelektrischer Größen.2.2. Meßfühler. Meßfühler. Übersicht über passive Aufnehmer-Prinzipien3.3. Meßfühler.Meßfühler. Übersicht über aktive Aufnehmer-Prinzipien4.4. SensorenSensoren für geometrische Meßgrößen und mechanische Beanspruchung, 5.5. TemperaturmessungTemperaturmessung6.6. Optische und Strahlung SensorenOptische und Strahlung Sensoren7.7. Intelligente Sensorsysteme Intelligente Sensorsysteme 8.8. Aktoren Aktoren 9.9. Typische Sensoren und Aktoren der RobotikTypische Sensoren und Aktoren der Robotik10. Feldbussysteme10. Feldbussysteme
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Labor:
28 Praktikum Stunden vorgesehen:
18 Stunden <--> Einführung im LabVIEW. Klausur10 Stunden <--> LabVIEW Anwendungen und Versuche:
DMS zur Kraft- und Dehnungsmessung, Differentialtransformator zur Wegmessung, Temperatur-Messung; Khepera Robot Control;
KlausurAlle Versuchsaufgaben werden auf dem Internet verfügbar.
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Literaturverzeichnis
[1] Rolf Isermann, Mechatronische Systeme: Grundlagen (Taschenbuch, 2007) [2] Niebuhr, Lindner, Physikalische Messtechnik mit Sensoren, Oldenbourg, 2002[3] Armin Schöne, Meßtechnik, Springer Verlag, 1997[4] Hans Jürgen Gevatter, Hrsg., Automatisierungstechnik 1, Meß- und Sensortechnik, Springer, 2000.[5] Elmar Schrüfer, Elektrische Meßtechnik, Hanser, 1992.[6] B. Pantelimon, C. Iliescu: Masurarea electrica a marimilor neelectrice, Tritonic, Bucuresti, 1995[7] www.vlab.pub.ro/Messtechnik
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Schätzung der Studenten Kentnisse und Aktivität:
Prüfung (Januar 2008): 40%Teste (beim Kurs): [10%]Labor: 40% Hausaufgaben : 20%Total: 110% [!]Kommunikation:http://www.vlab.pub.ro/courses/sensoren/mihaela.albu@upb.ro; albu@ieee.org
Sprechstunden: EB129
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1.1.Einleitung Lernziele der Vorlesung; Sensoren in der Prozeßautomatisierung und für
Meß- und Überwachungsaufgaben. Physikalische Grundlagen und Effekte
Sensortechnik oder Sensorik: ein eigenständiger Bereich der allgemeinen Meßtechnik, welcher zunehmend an Bedeutung gewinnt. Er enthält sowohl einfache Meßwertaufnehmer (Sensoren) als auch komplexe Aufnehmersysteme (Sensoren) für Meß-einrichtungen aller Art zur Erfassung nichtelektrischer Meßgrößen.
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1.1.Einleitung
Die Umwandlung nichtelektrischer Größen in elektrische
Signale erfolgt unter Ausnutzung geeigneter
physikalischer Effekte (Sensor-Wirkprinzipien); dabei
werden die Signale häufig schon im Sensor selbst einer
elektrischen Aufarbeitung unterworfen, damit eine
einfache Verbindung von Meßwertaufnehmer und
weitergehender Signal- und Datenverarbeitung für die
Automatisierung gegeben ist.
Der Einsatz von Sensoren erfolgt in allen Bereichen
des Maschinenbaus und der Technik.
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1.1.Einleitung
Formal ist der Bereich der Sensortechnik deckungsgleich
mit dem der Feinwerktechnik.
In Sensoren werden elektromechanische,
optomechanische und optoelektronische Möglichkeiten
zur Meßwertaufnahme genutzt, wobei die
ingenieurmäßige Anwendung der Physik im Sensor ein
besonderes Merkmal der Feinwerktechnik ist.
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1.1.Einleitung
Ein Aktuator (actuator) ist ein Gerät der, umgekehrt,
wandelt elektrische Signale in physikalishen Bewegungen
oder in anderen physikalischen Phänomena um.
Um die Umwelt zu verstehen und zubeschreiben, braucht
man ein Modell der Umwelt vorauszusetzen, und dann die
Phänomene zu beobachten und zu benutzen.
Die Umweltmodellierung dient erstens zur Rekonstruktion
von Objekte oder Teile der Objekteneigenschaften, sowie
deren Lokationen zu ermitteln. Dazu verwendet man die
fünf Sinne und /oder Sensoren
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1.1.Einleitung Ein Sensor (sensor) ist ein Gerät, welches ein physikalisches Phänomen benutzt, um die zumessende Größe in einem elektrischen Signal umzuwandeln. Sensoren <--> Schinttstelle zwischen der physikalischen Welt und einer Meßeinrichtung.Um die Umwelt wie gewünscht zu verändern, soll der Perzeption-Aktion Zyklus über intelligente Steuerung kontinuirlich realisiert werden. Obwohl das kann auch ohne einer geeigneten Umweltmodellierung geschehen, eine fehlerfrei Aktion nimmt an, daß nicht nur die Sensordaten, sondern auch der Ergebniss dem Vergleich der Modelldaten mit den realen Sensordaten verwendet werden.
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2.Definitionenumfassung
Meßumformer sind Geräte, die eine zumessende Größe A in
eine andere Größe B umformen, die leichter zu messen ist.
Meßfühler - Meßsonde; Meßelement; Sensor-
(engl.: sensing element oder gage) stellen das spezielle
physikalisch-elektrische Umformungsglied in der Meßkette dar.
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2.Definitionenumfassung
Aufnehmer - Meßwertaufnehmer; Meßgeber -
(engl.: transducer oder pick-up) fassen alle Bauglieder zur
Umformung (Umwandlung) von physikalischen in elektrische
Meßgrößen zusammen. Ein Meßfühler kann auch direkt als
Aufnehmer wirken, z.B. bei Dehnungmeßstreifen oder
Thermoelementen.
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2.Definitionenumfassung
Sensor verwendet man in üblichen Sprachgebrauch als
Bezeichnung für Meßfühler und Aufnehmer ohne oder mit
integrierter Elektronik zur Signalverarbeitung.
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2.Definitionenumfassung
Meßumformer - Signalumformer - sind allgemein Meßgeräte,
die entsprechend der Gerätekennlinie ein analoges
Eingangssignal in ein eindeutig mit ihm zusammenhängendes
analoges Ausgangssignal umformen.
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2.Definitionenumfassung
Meßgrößenumformer sind Meßumformer, bei denen
Eingangssignal und Ausgangssignal von verschiedener
physikalischer Natur sind. Aufnehmer sind meist
Meßgrößenumformer, so z.B. ein Thermoelement als
Temperaturaufnehmer mit Temperatur als Eingangssignal und
elektrischer Spannung als Ausgangssignal.
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2.Definitionenumfassung
Meßwertumformer sind Meßumformer, bei denen
Eingangssignal und Ausgangssignal von gleicher physikalischer
Art sind.
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2.Definitionenumfassung
Einheitsmeßwertumformer (engl.: transmitter) sind
Meßumformer mit einem genormten Ausgangssignalbereich:
eingeprägter Gleichstrom I (stromproportionales System):
0 5 mA oder 020 mA d. h. mit totem Nullpunkt (dead zero)
4 20 mA oder 2 10 mA d. h. mit lebendem Nullpunkt (live zero)
(0 5 mA) bis (12 25 mA) d. h. mit einstellbaren Grenzen
eingeprägte Gleichspannung U (spannungsproportionales
System): 0 5 V oder 010 V
Frequenz f oder Impulsfolge (zeitproportionals System):
5 Imp/s 25 Imp/s
pneumatisches Einheitssignal p: 0.2 bar 1.0 bar
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3. SignaleSignale sind ausgewählte physikalische Größen, die sich aus gerätetechnischer Sicht vorteilhaft verarbeiten lassen. Jedoch sind Signale nur Mittel zum Zweck der Informationsübertragung. Um Informationen weitergeben zu können, muß ein Signal, ausgestattet mit einem gewissen Energiepegel, zu Hilfe genommen werden. Die Höhe des Energiepegels richtet sich nach Höhe des zu beachtenden Störpegels des Übertragungsweges und muß ein hinreichend hohen Störabstand (SNR, in dB gemessen) haben, um eine sichere Informationsübertragung (d.h., ohne Informationsverlust) zu gewährleisten.
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3. Signale
Daher der Empfänger eines Signales die Information
entshlüssen kann, muß zwischen Sender und Empfänger vorher
eine Vereinbarung getroffen werden.
Dabei kann ein und dasselbe Signal je nach Vereinbarung
verschiedenen Informationsinhalt haben.
Umgekehrt kann ein und dieselbe Information mit hilfe
unterschiedlicher Signale transportiert werden. So hat z.B. ein
elektrischer Temperatur-Meßumformer mit einem Meßbereich
von 0 bis 100 C als Ausgangssignal [2…10] mA, während ein
pneumatischer Temperatur-Meßumformer für den gleichen
Meßbereich ein Ausgangssignal von [.2…1.0] bar lliefert.
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3. Signale
Der für die Signalübertragung erforderliche Energiepegel wird
entweder dem Meßort entnommen (z.B. Thermoelement) oder
mit Hilfe eines Leistungsverstärkers aus einer Hilfsenergiequelle
geliefert (z.B. Impedanzwandler).
Die Signale werden von einem Übertragungsglied zum nächsten
Übertragungsglied weitergegeben. Die Signalflußrichtung ist
durch die im Idealfall volle Rükwirkungsfreiheit des
Übertragungsgliedes gegeben. Das heißt, das Ausgangssignal
des vorgeschalteten Gliedes ist gleich dem Eingangssignal des
nachgeschalteten Übertragungsgliedes.
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3. Signale. Signalarten.
Grundsätzlich ist jede physikalische Größe als Signal
verwendbar. Es wurden jedoch bevorzugt :
Pneumatischer Druck
Elektrische Spannung
Elektrischer Strom (als die Signalmäßige Verbindung
zwischen den Geräte einer Signalflußkette)
Weg/Winkel
Kraft/Drehmoment (als geräteinterne Signale)
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3. Signale. Signalarten.
In den primären Sensorelemente (Meßelementen,
Meßumformern) werden für die Signalumformung (z.B.
mechanische Größe/elektrische Größe) zahlreiche verschiedene
physkalische Effekte benutzt, die unterschiedlichen Signalarten
im Ausgang haben:
amplitudenanaloge Signale
frequenzanaloge Signale
digitale Signale
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4. 4. Physikalische Grundlagen und Effekte
Die elektrische Meßtechnik umfasst auch die Technik, die Die elektrische Meßtechnik umfasst auch die Technik, die
erlaubt, daß verschiedene pysikalischen Effekte zur Messung erlaubt, daß verschiedene pysikalischen Effekte zur Messung
nichtelektrischer Effekte herangezogen werden. nichtelektrischer Effekte herangezogen werden.
Dabei steuert oder erzeugt die nichtelektrische Größe das Dabei steuert oder erzeugt die nichtelektrische Größe das
elektrische Signal des jeweiligen Aufnehmers, Gebers, Fühlers, elektrische Signal des jeweiligen Aufnehmers, Gebers, Fühlers,
Detektors oder Sensors. Detektors oder Sensors.
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4.4.Physikalische Grundlagen und Effekte
Es gibt aber Fälle, wenn bei ein und demselben Aufnehmer oder Es gibt aber Fälle, wenn bei ein und demselben Aufnehmer oder
Sensor jeweils verschiedene Einflußgrößen wirksam sind: Sensor jeweils verschiedene Einflußgrößen wirksam sind:
der elektrische Widerstand eines Leiters z.B. ist sowohl von der der elektrische Widerstand eines Leiters z.B. ist sowohl von der
Temperatur als ach von mechanischen Spannungen abhängig. Temperatur als ach von mechanischen Spannungen abhängig.
Soll die Temperatur gemessen werden, sind mechanische Soll die Temperatur gemessen werden, sind mechanische
Spannungen zu vermeiden. Umgekehrt müssen bei der Spannungen zu vermeiden. Umgekehrt müssen bei der
Dehnungsmessung die Temperatureinflüsse herauskorrigiert Dehnungsmessung die Temperatureinflüsse herauskorrigiert
werden. werden.
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4.4.Physikalische Grundlagen und Effekte
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Hausaufgabe 1 (http://www.schiessle.de/ST1/ST_A1_WS96.htm)Es sollen hochdynamische Bewegungsvorgänge im Millimeterbereich von Maschinenteilen mit Hilfe eines magnetoelastischen Beschleunigungs-aufnehmers sensiert werden. Der prinzipielle Meßaufbau ist im nachfolgenden Blockschaltbild dargestellt.
Der Beschleunigungsaufnehmer hat eine Meßempfindlichkeit von EA = 0,02(1+Nmod3) mVs2/m. Der Meßverstärker hat eine Linearverstärkung von V = 500(1+Nmod5). Der elektronische Integrator hat einen Eingangswiderstand von R1 = 1M. Bei einer Nennbeschleunigung von 10g (1g = 9,81 m/s2) sollen innerhalb der Nennspannung von uI = 10 V, Geschwindigkeiten bis 100(1+Nmod2) m/s sensiert werden.
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Hausaufgabe 1 (http://www.schiessle.de/ST1/ST_A1_WS96.htm)
a) Berechnen Sie die Spannung UV am Verstärkerausgang für die
Nennbeschleunigung von 10 g.
b) Berechnen Sie die Zeit t über welche die Nennbeschleunigung von 10 g
auf den Meßwertaufnehmerwirken kann, bis die Nenngeschwindigkeit des
Maschinenteils von 100(1+Nmod2) m/s erreicht ist.
c) Berechnen Sie, mit Hilfe der unter a) und b) errechneten Ergebnisse, die
für den Integrator notwendige Kapazität des Kondensators C2, wenn die
Nennausgangsspannung uI = 10V betragen soll.
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