- Einführung -
Prof. Dr. Ulrich HahnSS 2010
Sensorik & AktorikWahlpflichtfach Studienrichtung „Antriebe & Automat ion“
Einführung 2
was sind "Sensoren" bzw. "Aktoren"
Sensor ���� (Mess)fühler erfasst physikalische Größen liefert Informationen über physikalische Größen
Aktor ���� "Macher", Stellglied verändert physikalische Größen
wofür werden Sensoren benötigt?
� steuern
� überwachen
� dokumentieren
Einführung 3
Beispiel
Einführung 4
Sensoren des Menschen
5 Sinne des Menschen:
SehenHören
Riechen
Schmecken
Fühlen
� thermisch� mechanisch� Schmerz� Gleichgewicht
Schnittstellen zur Umwelt
Augen 2.108 SensorenOhren 3.104 SensorenNase 1.107 Sensoren
Zunge 1.107 Sensoren
Haut 2.105 SensorenHaut 5.105 Sensoren
InnenohrHaut 3.106 Sensoren
Tiere: Lichtpolarisation
Magnetfeld
InsektenVögel, Bienen
Einführung 5
Beispiel menschliches Auge
Lichtverteilung einer Szene
Abbildung auf Netzhaut
Licht �Nervenreiz
Zuordnung Objektpunkte � Objekt
Vielfachsensor mit Vorverarbeitung
Einführung 6
Informations- und Energiefluss in der Automatisierungstechnik
SensorAktor
Steuerung Signalverarb.Ausgabeeinheit
Prozess
����: sekund: sekund: sekund: sekundäääärer Informationstrrer Informationstrrer Informationstrrer Informationsträäääger (ger (ger (ger (elektrisch)elektrisch)elektrisch)elektrisch)����: terti: terti: terti: tertiäääärer Informationstrrer Informationstrrer Informationstrrer Informationsträääägergergerger
����: prim: prim: prim: primäääärer Informationstrrer Informationstrrer Informationstrrer Informationsträääägergergerger
Einführung 7
warum brauchen wir weitere Sensoren?
Messbereichserweiterung der menschlichen SinneMessbereichserweiterung der menschlichen Sinne
Auge: � Nah-, Fernsicht� Empfindlichkeit� UV, IR
Ohr: � Frequenzbereichserwei-terung (Ultraschall)
� Empfindlichkeit
SpeicherungSpeicherung Kamera � Film/ChipMikrofon � CD
wenn keine menschlichen Sinne vorhanden sindwenn keine menschlichen Sinne vorhanden sind
Kernstrahlungelektrischer Strom, Spannung
LichtpolarisationMagnetfelder
Steuerung, ÜberwachungSteuerung, Überwachung
Einführung 8
Klassifizierung von Sensorenerfasste physikalische Größeerfasste physikalische Größe
z. B. Temperatur QuecksilberthermometerPt-100Thermoelement
physikalisches Wirkprinzipphysikalisches Wirkprinzip
z. B. Widerstand TemperaturKraft (DMS)Lichtstärke
AufgabeAufgabe
z. B. Brandmeldung TemperaturRauchStrahlung
Informationsträger des AusgangssignalsInformationsträger des Ausgangssignalsanalog elektrischdigital elektrisch
Einführung 9
Aktorenmechanisch:mechanisch: (Elektro)motoren
HydraulikPneumatik
thermisch:thermisch: Heizung
optisch:optisch: Leuchten
Ventile, Pumpen, Ventilatoren
akustisch:akustisch: Lautsprecher
Kühlung
Abdunklung, Verschattung
chemisch:chemisch: Be-/ Entfeuchten
Einführung 10
Themen der Lehrveranstaltung
� Kinematik:
� Dynamik
Sensoren zur Erfassung mechanischer Größen
Position, Weg, Geschwindigkeit, Beschleunigung ...
Näherungssensoren, Endschalter ...
Kraft, Drehmoment, Druck ...
Masse, Durchfluss ...
� Lichteigenschaften:
� Lichtverteilung
Sensoren zur Erfassung optischer GrößenLichtstärke, Farbe
Umrisse, Szenen
Anforderungen an Sensoren bei verschiedenen Aufgaben
Aktoren: Eigenschaften, Anforderungen
� Genauigkeit, Richtigkeit� Umgebungsbedingungen
Einführung 11
einige Begriffe:
(elementarer) Sensor, Messfühler(elementarer) Sensor, Messfühler
wandelt (nicht-elektrische) physikalische Größen in (analoge) elektrische Größen um physikalischer Effekt
Einführung 12
einige Begriffe:SensorsystemSensorsystem
Sensor und Elektronik zum Aufbereiten des elektrischen Signals
Einführung 13
einige Begriffe:MultisensorsystemMultisensorsystem
mehrere Sensorsysteme für bestimmte Aufgaben
Beispiel: Wärmemenge
Einführung 14
Anforderungen an Sensoren
hinsichtlich der Messaufgabehinsichtlich der Messaufgabe
MessbereichEmpfindlichkeit, Größe des Ausgangssignals
Genauigkeit, Auflösung
hinsichtlich Störungenhinsichtlich Störungen
"Querempfindlichkeiten" � Messgröße wird von ähnlichen Größen beeinflusst
Rückwirkung auf das Messobjekt
"echte" Störgrößen � Ausgangssignal hängt außer von der Messgröße von weiteren Größen ab
Kalibrierung
Einführung 15
Anforderungen an Sensoren
hinsichtlich des zeitlichen Verhaltenshinsichtlich des zeitlichen Verhaltens
Übertragungsfunktion: linearer Bereich, Grenzfrequenz, ResonanzenKriechen, Drift
Alterung, Verscheiß
hinsichtlich Systemintegrationhinsichtlich Systemintegration
Weiterverarbeitung des Ausgangssignals
Anzeigen, Bedienung
Wartung, Konfiguration, Anpassung vor Ort
Ausfallraten, Ausfallerkennung
LebensdauerReproduzierbarkeit
Einführung 16
Anforderungen an Sensoren
hinsichtlich Kostenhinsichtlich Kosten
Fertigung
Wartung, Einbau, Ersatz
hinsichtlich der Umgebunghinsichtlich der Umgebung
Größe, Miniaturisierung
Einbausituation
Schädigung durch Umgebungseinflüsse
Systemkosten: Herstellung – Einbau – Wartung – Ausbau – Schnittstellen –Entsorgung
Einzelkosten - Massenprodukt
Einführung 17
statisches Verhalten von SensorenMessgröße m: konstant während der Erfassung
"eingeschwungener Zustand"
ideal: AxgrößeAusgangsmMessgröße ~
real: "Offset"nicht linear, evtl. mit "Offset"
Extremfall: Sättigung
Hysterese
Einführung 18
Differenzmessung
Messen mit 2 Sensoren Messgröße x gegensinnig
Störgröße ϑ gleichsinnig
Einführung 19
dynamisches Verhalten
idealideal nur Signallaufzeiten verzögern Ausgangssignal
)()( 0ttmktxA −⋅⋅=
Übertragungsfunktion: 0
)()(
:)( tjA eksm
sxsF ω−⋅==
kjFsF =ω= |)(||)(|
0tω−=ϕ⇒)tan()(Re)(Im
:tan 0tsF
sF ω−==ϕ
Sensor "Nullter" Ordnung
Einführung 20
dynamisches Verhaltenreal (1)real (1) Sensor hat einen Energiespeicher
Messobjekt lädt Speicher
Ausgangssignal konstant wenn Speicher voll
-1 0 1 2 3 4 5 6
t /τ/τ/τ/τ →→→→
m, x
A →→ →→
Sensor "Erster" Ordnung
)1()( / τ−−⋅⋅= tA emktx
Sprungantwort
Einführung 21
dynamisches Verhalten
Übertragungsfunktion:s
sF⋅τ+
=1
1)(
Frequenzgang:)²(1
1|)(|
τω+=ωjF
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
0,0001 0,001 0,01 0,1 1 10 100
τωτωτωτω →→→→
|F|
→→ →→
Einführung 22
dynamisches Verhalten
Phasengang:
)arctan()( τω−=ωϕ j
-135
-90
-45
0
0,0001 0,001 0,01 0,1 1 10 100
τωτωτωτω →→→→ϕϕϕϕ
→→ →→
DIN 19226: "Einschwingzeit" xA(tE) = 0,95.xA(∞) ttttEEEE ≈≈≈≈ 3333ττττGrenzfrequenz: |F(ωg)| = 0,95. |F(0)| ωωωωgggg ≈≈≈≈ 0,33/0,33/0,33/0,33/ττττ
Einführung 23
dynamisches Verhalten
real (2)real (2) Sensor stellt schwingfähiges System dar2 Energiespeicher, Dämpfung
3 charakteristische Frequenzen: ωf, ωd, ωres, δ
Sensor "Zweiter" Ordnung
modellhafte Beschreibung: mkxxx AAA ⋅=⋅β+⋅α+ &&&
mkxxx Af
Af
A ⋅=⋅ω
+⋅ω
δ+ &&& 22
12
Sprungantwort abhängig von der Dämpfung
SchwingungKriechenaperiodischer Grenzfall
Einführung 24
dynamisches VerhaltenSchwingung: δ < ωf
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2
0 2 4 6 8 10 12 14
ωωωω ft →→→→
x A →→ →→
Kriechen: δ > ωf
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
0 2 4 6 8 10 12 14
ωωωω ft →→→→
xA →
→
→
→
Hz
Einführung 25
dynamisches VerhaltenÜbertragungsfunktion:
22
2
2)(
sssF
f
f
+⋅δ⋅+ωω
=
Frequenzgang:2222
2
)2()(|)(|
ω⋅δ⋅+ω−ωω
=ωf
fjF
0
1
2
3
4
5
0,1 1 10ωωωω /ωωωω f →→→→
|F|
→ → → →
Hz
Einführung 26
dynamisches VerhaltenEinschwingzeit (Schwingfall): mkemktx t
f
fA ⋅<⋅
δ−ωω
⋅= δ− 05,0)(ˆ 22
2
aperiodischer Grenzfall:mktxA ⋅< 05,0)(
Kriechfall:
0
10
20
30
40
50
60
70
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3
δ/ωδ/ωδ/ωδ/ωf → → → →
ωωωωf. t(
0,95
) →→ →→
Einführung 27
dynamisches Verhalten
Grenzfrequenz: |F(ωg)| = 0,95. |F(0)|
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5
δ/ωδ/ωδ/ωδ/ωf →→→→
ωωωωg/ ωω ωω
f →→ →→
Einführung 28
Auswahlkriterien für Sensoren
MessgrößeMessgröße Welche Messgröße soll erfasst werden?Anwendungsbereich
Unterlast AnwendungsbereichÜberlastZerstörungMessbereich
statisch - dynamisch ���� MessfrequenzAuflösung (Signal, zeitlich, räumlich)
HilfsgrößenHilfsgrößen Kalibrierung
Drift, ReproduzierbarkeitVerstärkung, Signalverarbeitung, Ausgangssignal
StörungenStörungen Umwelt (Temperatur, Druck, Vibration...)EMV
���� physikalisches Messprinzipphysikalisches Messprinzipphysikalisches Messprinzipphysikalisches Messprinzip