Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin * Fachbereich Ingenieurwissenschaften II * Labor Messtechnik * Dipl.-Ing. H. Meinke. Sensor-Messtechnik

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1 Fachbereich Ingenieurwissenschaften II Labor Messtechnik Anleitung zur Laborübung Sensor-Messtechnik Inhalt: 1 Ziel der Laborübung 2 Aufgaben zur Vorbereitung der Laborübung 3 Allgemeines 4 Parameter der Sensoren 4.1 Nennschaltabstand 4.2 Reduktionsfaktor 4.3 Schalthysterese 4.4 Ansprechkurve 5 Sensoren 5.1 Induktive Sensoren 5.2 Kapazitive Sensoren 5.3 Magnetfeldsensoren Allgemeines Hallsensoren Magnetoresistive Sensoren Sättigungskernsonden 6 Messablauf und Auswertung Stand: Oktober 2012

2 1 Ziel der Laborübung - Kennenlernen des Aufbaus und der Wirkungsweise von induktiven Sensoren, kapazitiven Sensoren und Magnetfeldsensoren - Beschaltung der Sensoren - Experimentelle Aufnahme einer Strom-Weg-Kennlinie, Bestimmung von Schaltabstand und Schalthysterese 2 Aufgaben zur Vorbereitung der Laborübung - Einarbeiten in die Laborübung nach dieser Anleitung - Herausarbeitung von Funktion und Wirkungsweise induktiver und kapazitiver Sensoren, und Magnetfeldsensoren

3 3 Allgemeines Sensoren sind Signalglieder, die meist als berührungslose Taster, Messfühler oder Messwertgeber arbeiten und physikalische Größen der Umwelt erfassen, wie z.b. Druck, Temperatur, Kraft. Sensoren bilden technisch die menschlichen Sinne nach. Die Umwandlung der physikalischen Größen in ein meist elektrisches Ausgangssignal erfolgt im Sensor. Die analogen oder digitalen Ausgangssignale werden von Mikroprozessoren und EDV-Anlagen weiter verarbeitet oder können über Verstärker direkt Steuer- oder Stellglieder betätigen.

4 4 Parameter der Sensoren 4.1 Nennschaltabstand s n Der Nennschaltabstand beschreibt den maximalen Abstand, den eine Normmessplatte haben darf, um einen Schaltvorgang auszulösen. Es handelt sich dabei um einen reinen Kennwert, bei dem Fertigungstoleranzen, Temperatur- oder Spannungsschwankungen nicht berücksichtigt werden. Beispiel: Bei dem in der Übung zum Einsatz kommenden induktiven Sensor muss die Normmessplatte eine Fläche von 18 mm x 18 mm und eine Dicke von 1 mm besitzen, um den Nennschaltabstand bestimmen zu können. 4.2 Reduktionsfaktor R Der Reduktionsfaktor ist eine materialabhängige Größe. Er beschreibt, um welchen Faktor sich der Schaltabstand s aufgrund unterschiedlicher Materialien gegenüber Stahl S235 (alt: St37) reduziert, bezogen auf den Nennschaltabstand s n. 1. Beispiel : induktiver Sensor Der Reduktionsfaktor erlaubt die Abschätzung des Schaltabstandes s, wenn ein anderes Material als Stahl S235 erfasst werden soll. Da bei Fe-Metallen Ummagnetisierungs- und Wirbelstromverluste auftreten, ist die Dämpfungswirkung größer als bei NE-Metallen, bei denen nur Wirbelstromverluste auftreten. Dies wirkt sich in unterschiedlichen Schaltabständen aus. 2. Beispiel : kapazitiver Sensor r ist die Permittivitätszahl; (permittere [lat.] = durchdringen). Die Permittivitätszahl eines Isolierstoffes gibt an, wievielmal größer die elektrische Flussdichte wird, wenn statt Vakuum (Luft) der entsprechende Isolierstoff als Dielektrikum verwendet wird. Bei einer temperaturabhängigen Permittivitätszahl muss mit einer Abweichung des Schaltabstandes gerechnet werden.

5 4.3 Schalthysterese H Die Schalthysterese ist der Wegunterschied zwischen dem Einschaltpunkt p e (Annähern des Sensors) und dem Ausschaltpunkt p a (Entfernen des Sensors) von der Materialprobe. Sie wird in Prozent des Nennschaltabstandes angegeben. 4.4 Ansprechkurve Die Ansprechkurve sagt aus, in welcher räumlichen Entfernung zur Messplatte die Grenzlinie liegt, bei deren Überfahren der Sensor schaltet. Die Anfahrrichtung einer Messplatte kann seitlich oder axial erfolgen. Bewegt man die Messplatte seitlich in die aktive Zone hinein, so erhält man je nach axialem Abstand einen anderen Schaltabstand s.

6 5 Sensoren 5.1 Induktive Sensoren Induktive Sensoren, auch als induktive Näherungsschalter oder Initiatoren bezeichnet, sind in der Automatisierungs- und Verfahrenstechnik weit verbreitet. Sie sind durch ihre Bauform geschützt gegen Umwelteinflüsse, zeichnen sich durch hohe Zuverlässigkeit aus und arbeiten berührungslos, kontaktlos und rückwirkungsfrei. Aufbau und Funktion Das aktive Element eines induktiven Sensors besteht aus einer Spule und einem Ferritkern. Wird der LC-Schwingkreis von einem Oszillator angeregt, erzeugt die Spule ein Magnetfeld, das nur an einer Seite des Ferritkerns austreten kann. Diese Seite des Ferritkernes wird als aktive Fläche des induktiven Sensors bezeichnet. Das austretende Magnetfeld wirkt nur über einen räumlich begrenzten Bereich (aktive Schaltzone). Wird in diesem Bereich eine Metallplatte (z.b. Bedämpfungsfahne aus Stahl) gebracht, so wird das Magnetfeld deformiert oder bedämpft (Auslösen des Schaltvorgangs). Durch die Veränderung des Magnetfeldes erfährt die Spule eine Impedanzänderung. Ist die Bedämpfung so groß, dass die Schwingungsamplitude einen gewissen Wert unterschreitet, spricht ein Komparator an und gibt über die Endstufe ein Ausgangssignal aus. Schaltabstand Der Schaltabstand induktiver Sensoren ist abhängig: - von der Metallart - vom Spulendurchmesser - von der Fläche des angenäherten Körpers - von der Einbauart (bündig/nichtbündig) Induktive Sensoren reagieren nur auf Metalle!

7 5.2 Kapazitive Sensoren Kapazitive Sensoren, auch als kapazitive Näherungsschalter bezeichnet, werden eingesetzt um auch nichtleitende Materialien, wie Kunststoff, Holz, Glas usw. zu erfassen. Sie arbeiten wie die induktiven Sensoren berührungslos, kontaktlos und rückwirkungsfrei. Aufbau und Funktion Das aktive Element eines kapazitiven Sensors besteht aus einer Sensorelektrode und einer Abschirmung. Diese beiden Elektroden bilden zusammen einen Kondensator. Durch Annähern einer Schaltfahne (metallischer oder nichtmetallischer Gegenstand) erfolgt im elektrischen Feld dieses Kondensators eine Kapazitätsänderung, d.h. der Kondensator des RC-Schwingkreises ist so angeordnet, dass sich seine Kapazität bei Annäherung eines Gegenstandes vergrößert (Kapazitätsänderung C). Der Oszillator wird so abgestimmt, dass er erst durch diese Kapazitätszunahme schwingfähig wird. Dieses Anschwingen bei Annäherung eines Gegenstandes wird von einem Komparator erkannt und über die Endstufe ausgegeben. Schaltabstand Der Schaltabstand kapazitiver Sensoren ist abhängig: - vom Sensordurchmesser - vom Material des angenäherten Körpers - von der Masse des angenäherten Körpers - von der Einbauart (bündig/nichtbündig) Kapazitive Sensoren reagieren auf Metalle und Nichtmetalle!

8 5.3 Magnetfeldsensoren Allgemeines Magnetfeldsensoren reagieren auf magnetische Felder von Dauer- oder Elektromagneten. Außerhalb eines Dauermagneten verlaufen die Feldlinien vom Nord- zum Südpol. An der Grenzfläche zweier aufeinander stoßender Materialien werden die Feldlinien gebrochen, wenn sie nicht senkrecht einfallen. Die beiden Materialien müssen dabei eine unterschiedliche Permeabilität (Durchlässigkeit) aufweisen. Dieser Effekt kann ausgenutzt werden, indem die Feldlinien durch ferromagnetische Materialien (z.b. S235) abgelenkt und geführt werden können.

9 5.3.2 Hallsensoren Bei Hallsensoren wird die seitliche Ablenkung eines Elektronenstroms durch ein Magnetfeld (Hall-Effekt) als Hallspannung U H ausgewertet. Die Lorentzkraft ist dafür verantwortlich, das die Elektronen vom Magnetfeld abgelenkt werden. Eine Seite verarmt dann an Elektronen, auf der anderen Seite reichern sich Elektronen an. Dadurch entsteht die Hallspannung Magnetoresistive Sensoren Wie bei den Hallsensoren wird auch bei diesen Sensoren der Hall-Effekt ausgenutzt. Magnetoresistive Sensoren beruhen auf der Änderung des elektrischen Widerstands weichmagnetischer Legierungen unter der Einwirkung eines längs- oder querverlaufenden Magnetfeldes. Es handelt sich um Halbleiterbauelemente, bei denen feine, parallel ausgerichtete Nadeln (z.b. aus Fe) eingelagert sind. Magnetfeldabhängig wird der Weg durch das Sensorelement verlängert, wodurch es zu einer Widerstandserhöhung kommt. Magnetoresistive Sensoren werden zunehmend zur Messung magnetischer Gleich- und Wechselfelder eingesetzt. Gegenüber Hallsensoren weisen sie eine höhere Empfindlichkeit auf und können in einem größeren Temperaturbereich eingesetzt werden.

10 5.3.4 Sättigungskernsonden Sättigungskernsonden werden hauptsächlich zur Bestimmung kleiner Feldstärken eingesetzt. Sie nutzen die Nichtlinearität von Magnetisierungskurven hochpermeabler weichmagnetischer Werkstoffe aus. Sättigungskernsonde mit einem Kern Die Sonde besteht aus einem oder zwei hochpermeablen Stabkernen oder einem Ringkern. Das Material des Kerns wird durch einen Wechselstrom in der Magnetisierungswicklung periodisch in die Sättigung gesteuert. In der Sondenwicklung wird dadurch eine Spannung induziert. Sättigungssonde mit Ferritkern und Joch Ein weiteres Verfahren für Sättigungskernsonden ist die Methode mit Ferritkern und Joch. Bei dieser Sondenart wird eine Schwingkreisschaltung verwendet. Wird ein Magnetfeld angenähert, geht das Joch schnell in die Sättigung und der magnetische Widerstand steigt. Der Oszillator ist nun schwingfähig und der Sensorstrom I steigt ( ).

11 6 Messablauf und Auswertung Am Tag der Laborübung liegen zwei verschiedene Sensoren an jedem Messplatz aus. Der Messablauf ist somit für den zweiten Sensor zu wiederholen. Bauen Sie den Sensor in den Messaufbau ein. Bestimmen Sie mit Hilfe der ausliegenden Materialproben den Sensortyp. Bestimmen Sie für den Sensor die Ein- und Ausschaltposition (p e und p a siehe Punkt 4.3). Wählen Sie dazu eine geeignete Materialprobe und nehmen Sie die Messwerte entsprechend des ausliegenden Protokollvordruckes auf. Berechnen Sie den Wegunterschied w und die Schalthysterese H. Der Nennschaltabstand s n ist den ausliegenden Datenblättern zu entnehmen. Stellen Sie anhand ihrer Messwerte die Schalthysterese grafisch dar! (Strom-Weg-Kennlinie) Es stehen zwei Messaufbauten zur Verfügung.