sensorik & aktorik · sensorik & aktorik wahlpflichtfach studienrichtung „antriebe &...
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- Positionsmessung (1) -
Prof. Dr. Ulrich HahnSS 2010
Sensorik & AktorikWahlpflichtfach Studienrichtung „Antriebe & Automat ion“
Positionsmessung 2
verbreitete Verfahren zur Positionsmessung
Positionsmessung 3
SchalterBinärsensor Taster
Endschalter
Mikroschalter
Rückmeldung erreichter Positionen
Reproduzierbarkeit ± 10µm Lebensdauer 107 Schaltungen berührende Messung hohe Spannungen/Ströme möglich
direkte Integration in Steuerung
Prellen, Kleben langsam Ausfallkontrolle
Positionsmessung 4
Potentiometer
Linearpotentiometer
Drehpotentiometer
kontinuierliche eindimensionale Positionserfassung
gemesseneSchleiferspannung US Position
belasteter Spannungsteiler "Durchhangfehler"
Mess-gerät
),,,( 0 LSSS RRRlUU =
Positionsmessung 5
PotentiometerAusführungen: R0: 100ΩΩΩΩ ... 100kΩΩΩΩ
WiderstandsdrahtLeitplastik (Harz-Kohlenstoff)
Leitplastik-Hybrid (Metallschicht)
hohe Temperaturen
Positionsgenauigkeit bis zu 0,25µm max. Geschwindigkeit ≈ 10m/s, max. Beschleunigung 20g Lebensdauer 2,5.107m bzw. 108 Hübe max. Betriebstemperatur 150°C Reibungskraft 0,1 ... 10 N
hohe Messgenauigkeit einfache Messwertverarbeitung kostengünstig
mechanischer Verschleiß
Vibrationsempfindlichkeit
Rückwirkung auf Messobjekt Linearität
Ausfallkontrolle
Positionsmessung 6
PotentiometerAnwendungen
WerkzeugmaschinenRobotik
Fahrzeugtechnik
Beispiel
Positionsmessung 7
Potentiometer
Positionsmessung 8
Seilzug-Positionssensor
Messumformer (Sensor)
Wendelpotentiometer optischer Wegaufnehmer
Positionsmessung 9
Lichtschranken
berührungslos, eine Rückwirkung auf das Objekt
Funktionsprinzip:
(nahezu) verschleißfrei
(beliebig) schnell, Begrenzung: Detektoren, Elektronik
Ausfallskontrolle
Lichtweg darf nicht gestört werden
Absorption, Streuung (Staub...) Störlichtquellen zeitlich konstant (Sonne, Glühlampen)
periodisch (Leuchtstoffröhren, Lichtbogenandere Lichtschranken
Positionsmessung 10
Lich
tsch
rank
en: G
rund
type
n
Positionsmessung 11
Lichtschranken: Ausführungsbeispiele
a) Rahmenlichtschrankeb), d) Gabellichtschranke
c) Lichtgitter
e) Ringlichtschranke
Positionsmessung 12
LichtquellenLeuchtdioden (LED)Leuchtdioden (LED)
gerichtetes Licht (mit Optik) aber: aber: aber: aber: AstigmatismusAstigmatismusAstigmatismusAstigmatismus leicht modulierbar (elektrisch) kostengünstig, haltbar
LaserdiodeLaserdiode
stark gerichtetes Licht (mit Optik) hohe Leistungsdichten
aber: aber: aber: aber: AstigmatismusAstigmatismusAstigmatismusAstigmatismusAugenschutzAugenschutzAugenschutzAugenschutz
Positionsmessung 13
Lichtquellenbevorzugte Wellenlängen:
IR (880nm, 950 nm)
VIS (630nm ... 680nm)
wenig Einfluss von Staub Detektoren empfindlich
Sichtkontrolle
Positionsmessung 14
Laserdiode: Aufbau
Energieschema Streifen Brechnungsindex E-Feld Lichtwelle
Positionsmessung 15
Laserdiode: Aufbau
longitudinale Moden im Resonator
Betriebs-parameter
Positionsmessung 16
Die handelsüblichen Wellenlängen von Halbleiterlase rn und deren Anwendungen sind:
405 nm - Basierend auf dem Halbleitermaterial In-GaAs. Blau-violette Laser, Anwendung in Blue-Ray-Discsund in HD-DVD-Laufwerken.
515 nm - Basierend auf dem Halbleitermaterial In-GaN. Noch im Laborstadium.
531 nm - Basierend auf dem Halbleitermaterial GaN. Noch im Laborstadium.
635 nm - Qualitativ gute rote Laserpointer. Anwendung auch zur optischen Vermessung bei LIDAR.
650 nm - DVD-Laufwerke, Laserpointer
670 nm - Minderwertige und kostengünstige rote Laserpointer. Einsatz auch bei Strichcodegeräten.
780 nm - CD-Laufwerke, Laserdrucker, Lichtschranken.
808 nm - Pumplaser bei NdYAG-Lasern. Anwendungen sind Pumplaser bei grünen Laserpointern oder bei Diodenlasern und deren Arrays.
980 nm - Pumplaser (DPSS) bei Nd:YAG-Laser.
1064 nm - Anwendungen bei Glasfasernetzen zur Datenübertragung.
1310 nm - Anwendungen bei Glasfasernetzen zur Datenübertragung.
1480 nm - Pumplaser (DPSS) bei Nd:YAG-Laser.
1550 nm - Anwendungen bei Glasfasernetzen zur Datenübertragung.
1625 nm - Anwendungen bei Glasfasernetzen zur Datenübertragung. Im Rahmen von Wellenlängen Multiplex(WDM) üblicherweise für den Dienstkanal zur Netzwerksteuerung benutzt.
Positionsmessung 17
Empfänger: spektrale Empfindlichkeiten
Positionsmessung 18
EmpfängerFotoelementeFotoelemente"aktive" Spannungsquellen: Spannung abhängig
von der Bestrahlungsstärke
hohe Empfind-lichkeit
kleine Grenz-frequenz(≈ 500 Hz)
Positionsmessung 19
EmpfängerFotodiodenFotodioden Sperrstrom ist abhängig von der Bestrahlungsstärke
25µA
Ev
IFD
5µA --
103 lx
viel schneller als Fotoelemente Verstärkung erforderlich
AvalancheAvalanche--FotodiodenFotodioden
Sperrspannung sehr hoch starke Beschleunigung der Elektronen Stoßionisation weiterer Elektronen (Ladungslawine)
Nachweis einzelner Photonen strahlungsproportionaler Betrieb (fG ≈ 3 GHz)
Positionsmessung 20
EmpfängerFototransistorFototransistor Kollektor-Basis Grenzschicht ist lichtempfindlich
"Verstärker" integriert (V ≈ 100)
Positionsmessung 21
Empfänger
FotowiderstandFotowiderstand dünne PbS oder CdS –Schichten (Halbleiter) keine Sperrschicht
direkt in Steuerungen integrierbar
geringe Grenzfrequenz (100 ... 500 Hz)
Positionsmessung 22
Empfänger
FotowiderstandFotowiderstand dünne PbS oder CdS –Schichten (Halbleiter)
Positionsmessung 23
ReflektorenRetroreflektorRetroreflektor ReflexionsfolienReflexionsfolien
glänzende Objekteglänzende Objekte
Reflektor dreht die Polarisation des Lichtes
Positionsmessung 24
Funktionsreserve bei Lichtschrankenwas ist zu tun, wenn
kein Objekt im Strahlengang, aber Lichtsignal schwachObjekt im Strahlengang, aber Lichtsignal zu groß
Positionsmessung 25
automatische Schwellwertanpassung
Signal bei unterschiedlicher Sauberkeit
Schaltschwelle normal
Schalt-schwelleangepasst
Start Reinigung
War-nung
AlarmAlarmAlarmAlarm
Positionsmessung 26
Störlicht: Gegenmaßnahmen
Modulation der Quelle Empfänger: Wechsellichtsignal
Hochpassfilter Gleichlichtanteil unterdrückt
Bandpassfilter Wechsellicht anderer Frequenzen unterdrückt
Positionsmessung 27
Störlicht: Gegenmaßnahmen Integration der Impulse
statistische Bewertung von Störimpulsen: Zahl der Störimpulse pro Zeit < Zahl der Nutzimpulse/Zeit
Austastung des Empfangssignals
gepulste Lichtquelle Empfangssignal kurz danach"Scharfschalten" des Empfängers für kurzes ZeitintervallStörpulse statistisch verteilt treffen meist auf inaktiven Empfänger
Empfänger zählt über 2. Kanal die Impulse des SendersZahl der Impulse << Zahl der Senderimpulse "dunkel"
Zahl der Impulse $$$$ Zahl der Senderimpulse "hell"
Positionsmessung 28
AnwendungsbeispieleReflexlichttaster –Streulicht des Messobjektes
Positionsmessung 29
AnwendungsbeispieleDurchlichtschranke
Greifersteuerung Führungskontrolle
Positionsmessung 30
AnwendungsbeispieleErkennen von Lücken
Positionsmessung 31
AnwendungsbeispieleErkennen von Werkstückorientierung
Positionsmessung 32
AnwendungsbeispieleErkennen von Werkstückorientierung
Positionsmessung 33
AnwendungsbeispieleErkennen von Werkstückorientierung
Positionsmessung 34
AnwendungsbeispieleUmrisserkennung mit Lichtgittern
Positionsmessung 35
AnwendungsbeispieleAbsichern eines Bereiches
Positionsmessung 36
AnwendungsbeispieleUmrisserkennung durch Abtasten mit einem Laserstrahl
Positionsmessung 37
Schriftvorlagen
Kinematik:c Bewegungszustand eines Objektes:
Bewegungszustand eines Objektes: vr
Gleitreibung Gleitreibung Gleitreibung Gleitreibung
Ursache für die Änderung des Bewegungszustandes sind KräfteKräfteKräfteKräfte.Ursache für die Änderung des Bewegungszustandes sind KräfteKräfteKräfteKräfte.
Reibungskräfte wirken bewegungshemmendReibungskräfte wirken bewegungshemmend
Bewegliche Teile:
Wälzlager
Inertialsystem
Kann für Verrichtung von Arbeit Kann für Verrichtung von Arbeit genutzt werdengenutzt werden
ArbeitArbeitArbeitArbeit
GleichgewichtGleichgewicht
SteinStein∅
~aber: 2. Hauptsatzaber: 2. Hauptsatz
²2
vPV ⋅ρ⋅ς=∆ ²2
vPV ⋅ρ⋅ς=∆
Positionsmessung 38
SchriftvorlagenKinematik:c Bewegungszustand eines Objektes:
Bewegungszustand eines Objektes: vr
Gleitreibung Gleitreibung Gleitreibung Gleitreibung
Ursache für die Änderung des Bewegungszustandes sind KräfteKräfteKräfteKräfte.Ursache für die Änderung des Bewegungszustandes sind KräfteKräfteKräfteKräfte.
Reibungskräfte wirken bewegungshemmendReibungskräfte wirken bewegungshemmend
Bewegliche Teile:
Inertialsystem
Kann für Verrichtung von ArbeitKann für Verrichtung von Arbeit
ArbeitArbeitArbeitArbeit
GleichgewichtGleichgewicht
SteinStein∅
~
hohe Lüfterleistung Wärmeabgabe durch Strahlung
Trägheit
Überströmzone: wenig Schadstoffe