Laborpraktikum Sensorik. Versuch Wegsensoren S 3

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1 Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik Institut für Mikro- und Sensorsysteme (IMOS) Laborpraktikum Sensorik Versuch Wegsensoren S 3 Institut für Mikro- und Sensorsysteme Lehrstuhl Meßtechnik/Sensorik Prof. Dr. rer. nat. habil. P. Hauptmann Postfach Magdeburg Tel.: (0391)

2 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis Versuchsziel Grundlagen Wirbelstromsensor Induktiver Wegsensor (Differentialtransformator) Digitale Wegsensoren Direkte Kodierung (reine Parallelumsetzung) Inkrementalverfahren (serielle Umsetzung) Interferometer Widerstandsaufnehmer zur Längenmessung Lichtwellenleiter-Reflex-Sensoren Versuchsanordnung Vorbereitung Aufgaben Hinweise zur Anwendung des Programmes DASYLab Schaltbild Datendarstellung Messung und Einstellungen Literatur Betreuer: Dipl.-Wirt. Ing. Ulrike Hempel Stand vom 16. April 2007 Laborpraktikum Sensorik 2

3 1. Versuchsziel Versuch Wegsensoren S 3 Ziel des Versuches ist das Kennenlernen von verschiedenen Wegsensoren, deren meßtechnischen Eigenschaften, der Auswertung ihrer Ausganssignale und die Entstehung von systematischen und zufälligen Meßfehlern. Als Anwendungsbeispiel wurde eine Versuchsanordnung ausgewählt, mit der der Fehlereinfluß mit und ohne der Einhaltung des Abbéschen Komparatorprinzips gezeigt werden kann. Der Darstellung der physikalischen Größe Länge dient ein inkrementelles Auflicht-Längenmeßsystem (Referenz). 2. Grundlagen 2.1. Wirbelstromsensor Die berührungslosen induktiven Wegaufnehmer arbeiten nach dem Wirbelstromprinzip ohne jede mechanische Verbindung mit dem Meßobjekt. Sie sind geeignet, Abstände gegenüber Objekten aus elektrisch leitenden Materialien, also insbesondere solchen aus metallischen Werkstoffen zu messen. Die Ausgangsspannung der Sensoren ist hierbei ein Maß für den Abstand zwischen Sensorstirnfläche und Meßobjekt. Bild 1: Prinzip eines Wirbelstromsensors. Die Spule des Sensors ist Teil eines LC-Hochfrequenz-Schwingkreises, der bei seiner Resonanzfrequenz schwingt (Bild 1). Nähert sich innerhalb des Magnetfeldes der Spule ein leitfähiges Meßobjekt, wird darin ein Wirbelstrom induziert. Dadurch wird die Schwingung gedämpft und der Strom im Schwingkreis verringert sich. Diese Änderung liefert über den Demodulator und den Trigger nach Verstärkung das Ausgangssignal. Durch die Art und die Geometrie des Spulenkerns läßt sich die Charakteristik des Magnetfeldes variieren und der speziellen Anwendung anpassen Induktiver Wegsensor (Differentialtransformator) Ein Differential-Tauchankersensor besteht aus einer Primär- und zwei Sekundärspulen mit einem gemeinsamen beweglichen Eisenkern. Dieser taucht in seiner Mittelstellung gleich tief in die in Serie geschalteten Sekundärspulen 1 und 2 ein (Bild 2). Die Primärspule wird mit Wechselstrom betrieben und induziert je nach Kopplungsgrad zwischen der Primär- und den Sekundärspulen Wechselspannungen in den beiden Sekundärspulen. Die Auswerteschaltung wird als Transformatorschaltung mit einer Primärspule und zwei Laborpraktikum Sensorik 3

4 Sekundärspulen ausgeführt, bei der sich die Ausgangsspannung des Sensors als Differenz der Sekundärspannungen ergibt. Bild 2: Prinzip einer Differential-Tauchankerausführung zur Wegmessung (Differentialtransformator). Die Position des Kerns bestimmt die magnetische Kopplung zwischen der Primär- und den Sekundärspulen und damit die in den Sekundärspulen induzierte Spannung. In der Nullstellung des Kerns haben beide Spannungen die gleiche Amplitude, sind aber um 180 phasenverschoben, so daß die resultierende Spannung Null wird. Bei der Verschiebung des Kerns erhöht sich die Spannung einer Spule, während sich die andere um denselben Betrag verringert. Die Ausgangsspannung des Sensors ändert sich linear mit der Auslenkung Digitale Wegsensoren Die digitale Wegmessung erfordert die Quantisierung der Meßgröße, die Ermittlung der aktuellen Quantenzahl (entsprechend des zu messenden Zahlenwertes) und die Darstellung dieser Zahl in einem vereinbarten Zahlensystem (Kodierung). Bild 3: Prinzipieller Aufbau einer inkrementalen optischen Abtastung (Gegegenraster nicht gezeichnet). Für die Umsetzung der analogen Meßgröße in eine digitale Form gelten die gleichen Prinzipien und Gesetze wie für die digitale Messung von Gleichspannungen. Für den Vergleich der analogen Eingangsgröße mit einem diskreten Längenmaßstab (Normal) muß dieses Maßstab in Längenquadranten bereitgestellt werden. Da sich solche Maßstäbe - auch Vielfachnormale zur direkten kodierten Längenmessung - mechanisch leichter und mit geringerem Aufwand herstellen lassen als elektrische Normale, werden meist die beiden typischen Verfahren der parallelen und seriellen Meßwerterfassung angewendet. Es gibt daher praktisch nur die Parallelumsetzung - direkt kodierende oder Kodeverfahren - oder die rein serielle Umsetzung - Skalenstreckenumsetzung oder Inkrementalverfahren - zur Laborpraktikum Sensorik 4

5 digitalen Meßwerterfassung. Kombinationen werden kaum verwendet. Die Maßstäbe könnnen für translatorische oder rotatorische Bewegung ausgelegt werden. LED Masken Kode- oder Rasterlineal Fotodiode Gleichstromtrigger Hell/Dunkelsignal Bild 4: Prinzipieller Aufbau einer optischen Abtastung eines Rastermaßstabes im Durchlichtverfahren (Darstellung eines Kanals). Die Messung (der Vergleich) erfolgt mittels eines feststehenden Bezugspunktes durch Abtastung. Die Art der verwendeten Abtastung bestimmt zugleich die erreichbare Meßempfindlichkeit, d.h. die Quantisierungseinheit. Mit verschiedenen Abtastverfahren lassen sich folgende Meßempfindlichkeiten erreichen: Art der Abtastung mechanisch magnetisch optisch ca. ca. ca. erreichbare Meßempfindlichkeit μm m μ 1 2 m μ In der Praxis wird überwiegend die optische Abtastung eingesetzt, die auch im Versuch als Referenz der physikalischen Größe Länge angewendet wird. Der Maßstab kann als Kodeoder Rasterlineal bzw. auch als Scheibe zur Winkelmessung ausgebildet werden. Das Prinzip der optischen Abtastung für eine Lesespur ist im Bild 4 dargestellt Direkte Kodierung (reine Parallelumsetzung) Jedem Längenquant innerhalb des Meßbereiches muß hier eine Ordnungszahl (binäres Wort) zugewiesen werden. Wegen des stets verwendeten Binärschritts (bei der optischen Abtastung Hell-/Dunkelraster) müssen mehrere verschieden gewichtete Spuren parallel angeordnet werden (in der Praxis bis zu 12, d.h. der Informationsgehalt einer Ablesung beträgt bis zu 12 bit). Aus den Signalen der einzelnen Spuren wird durch Dekodierung die Laborpraktikum Sensorik 5

6 zugehörige Ordnungszahl (binäres Wort) ermittelt und angezeigt, die wiederum eine Länge repräsentiert. Durch unvermeidbare Toleranzen in den einzelnen Spuren können beim Übergang von einer Zahl zur nächsten Fehler auftreten. Diese können beispielsweise durch den Versatz benachbarter Spuren auftreten oder durch Verkippung der den Maßstab abtastenden Fotoempfänger. Besonders kritisch ist dabei der Übergang der Ordnungszahlen, bei denen sich mehrere Spuren gleichzeitig ändern (z.b von zu ; Änderung in 3 Spuren). Zur Vermeidung dieser Fehler gibt es zwei Möglichkeiten: 1. Verwendung einschrittiger Kodes oder 2. Doppelabtastung außer in der feinsten Spur und Auswahl der "richtigen" Signale mit einer Logikschaltung (U- oder V- Abtastung) Inkrementalverfahren (serielle Umsetzung) Hier ist nur eine Spur mit gleichen Quanten vorhanden und die bei der Abtastung (während einer Verschiebung) auftretenden Impulse werden gezählt. Zur Unterscheidung der Bewegungsrichtung sind zwei um 1/4 der Quantisierungseinheit versetzte Abtastungen erforderlich. Durch eine Logikschaltung (Vor-Rück-Diskriminator) wird aus beiden Ausgangssignalen die Bewegungsrichtung ermittelt. Zur Registrierung der Impulse ist ein Vor- und Rückwärtszähler erforderlich, dessen Zählrichtung je nach Bewegungsrichtung umgeschaltet wird. Eine einfache Schaltung zur Vor-Rück-Erkennung sowie das zugehörige Impulsdiagramm zeigt das Bild 5. FD1 & FD2 & FD1 FD2 Vorwärts- Zählimpuls Vorwärtszählimpulse Rückwärtszählimpulse Impulsverkürzung Rückwärts- Zählimpuls t Bild 5: Auswertungslogik einer Einfachauswertung mit Richtungserkennung und zugehörigem Impulsdiagramm. Inkrementalverfahren erlauben es, mit gleichem Rastermaßstab unterschiedliche Meßempfindlichkeiten zu realisieren. Laborpraktikum Sensorik 6

7 - Bei der Einfachauswertung werden nur die Hellfelder des Rastermaßstabes gezählt (Bild 5). - Für die Zweifachauswertung werden an den Übergängen hell-dunkel und dunkel-hell elektronisch Impulse erzeugt und gezählt. Dabei wird gegenüber der Einfachauswertung eine doppelt so große Meßempfindlichkeit erreicht. - Zur Vierfachauswertung sind zwei um 1/4 der Quantisierungseinheit versetzte Abtastungen erforderlich. An beiden Abtastungen werden die Impulse wie bei der Zweifachauswertung verdoppelt. Damit ergibt sich gegenüber der Einfachauswertung eine vier mal so große Impulsanzahl und eine entsprechend vier mal so große Meßempfindlichkeit Interferometer Das Meßprinzip beruht auf der Überlagerung von zwei Lichtwellen. Dabei dient die eine Welle als Referenz und die andere als Meßwelle. Bei Phasengleichheit beider Wellen kommt es zur Verstärkung (konstruktive Interferenz) der resultierenden Welle. Bei Gegenphasigkeit kann es zur völligen Auslöschung der resultierenden Welle (destruktive Interferenz) kommen. Eine Interferometerbauart stellt das Michelson-Interferometer dar. Es besteht im wesentlichen aus einem Strahlteiler, einem feststehenden Reflektor (Referenzwelle), einem beweglichen Reflektor (Meßwelle), einem Strahler (Laser) und einem Empfänger. λ m Δ s = 2n( p, f, ϑ) Δs meßbare Wegänderung, m Zählimpuls (Hell/Dunkeldurchgang), λ Strahlerwellenlänge, n Brechzahl, p absoluter Luftdruck, f Luftfeuchte, ϑ Lufttemperatur Eine modifizierte Bauform stellt das Bild 6 dar. Δ Bild 6: modifiziertes Michelson-Interferometer, L Lichtquelle, E Empfänger, R Reflexionsschicht, P1 feststehendes Tripelprisma, P2 bewegliches Tripelprisma Laborpraktikum Sensorik 7

8 Statt einfacher Planspiegel werden Tripelprismen verwendet. Dies hat zur Folge, das die Welle die Wegstrecke vom Strahlteiler zum Reflektor vierfach, anstatt zweifach, wie bei Planspiegeln, durchlaufen muß. Dadurch erreicht man eine Verdopplung der Meßempfindlichkeit gegenüber einer Planspiegelanordnung. Durch Anordnung eines zweiten Empfängers im Interferenzbild, welcher zum ersten versetzt angeordnet ist, erhält man zwei phasenverschobene Signale (ideal sind 90, Sin/Cos-Signale). Durch geeignete Interpolationsverfahren wie Vierfachauswertung kann die Meßempfindlichkeit zusätzlich gesteigert werden. Eine weitere Erhöhung der Meßempfindlichkeit kann durch zusätzlichen betragsmäßigen Amplitudenvergleich der beiden Ausgangssignale erreicht werden, deren wegproportionale Impulse in der Zählung Berücksichtigung finden Widerstandsaufnehmer zur Längenmessung Die Widerstandsaufnehmer zur Längenmessung bestehen aus einem linearen Potentiometer, dessen Abgriff von der zu messenden Größe verstellt wird. Den Problemen mit dem notwendigen mechanischen Abgriff steht eine gute Meßempfindlichkeit gegenüber. Bei der richtigen Wahl der Widerstandsmeßschaltung ergibt sich eine dem Meßweg lineare Spannung Lichtwellenleiter-Reflex-Sensoren Faser-Reflex-Sensoren bestehen prinzipiell aus einem Strahlungs- und einem Empfangselement (z.b. Leuchtdiode, Photodiode) und einem Lichtwellenleiter (LWL). Als LWL kommen die unterschiedlichsten Typen zur Anwendung (Monomode-, Multimode- Leiter). Als Meßsignal dient die im Empfängerelement umgewandelte reflektierte Strahlung, welche von der Entfernung, dem Einstrahlwinkel und vom Reflexionsgrad des Reflektors abhängig ist. Bild 7: Faseroptischer-Wegsensor 3. Versuchsanordnung Die Versuchsanordnung besteht aus zwei Teilen. Der erste Teil enthält die Aufbauten zu direkten Kodierverfahren. Hierzu gehören Kodelineale im Binär- und Gray-Kode sowie die dazu gehörenden Abtasteinrichtungen, die in einem Einschub des Versuchsplatzes eingebaut sind. Beim Einsatz des binären Kodelineals kann zwischen Einfach- und V- Abtastung umgeschaltet werden. Im zweiten Teil der Versuchsanordnung befinden sich die einzelnen Sensoren, die über eine PC-Meßkarte mit dem PC gekoppelt sind. Die Signale der Kanäle der Meßkarte können mit dem Meßdatenerfassungsprogramm DASYLab ausgewertet werden. Die Signale des inkrementellen Wegmeßsystems (IAL) sind mit den Digitaleingängen der Meßkarte verbunden. Die anderen Sensoren liefern Analogsignale und sind mit den Analogeingängen Laborpraktikum Sensorik 8

9 der Meßkarte verbunden. Die Zuordnung der einzelnen Sensoren zu dem jeweils zugehörigen Analog- bzw. Digitalkanal unter DASYLab ist der nachfolgenden Tabelle zu entnehmen. Analogkanal-Nr. Sensor 0 Wirbelstromsensor 1 Widerstandsaufnehmer 2 Seilzugsensor 3 induktiver Sensor Digitalkanal-Nr. Sensor 0 inkrementeller Geber (IAL) - FD1 (Bild 5) 1 inkrementeller Geber (IAL) - FD2 (Bild 5) Der Versuchsaufbau der Wegsensoren wie Wirbelstromsensor, Seilzugsensor und induktiver Sensor besteht aus einer Linearführung mit Spindelantrieb. Am Führungsschlitten starr befestigt, befindet sich der bewegliche Sensorkopf des inkrementellen Wegmeßsystems (IAL), das als Längenreferenz dient. Wahlweise können vier unterschiedliche Wegsensoren am Führungsschlitten befestigt werden. Die beiden induktiv wirkenden Sensoren werden an der linken Stirnseite der Führung mittels zweier Schrauben befestigt. Der potentiometrische Seilzugsensor (Widerstandaufnehmer) wird mit vier Schrauben auf der Grundplatte befestigt. Das Seil wird über eine Umlenkrolle geführt und am Führungsschlitten befestigt. Der Widerstandsaufnehmer zur Längenmessung kann alternativ parallel oder linear zur Referenz (IAL - inkrementelles Auflichtlängenmeßsystem) arretiert werden. Die Meßsignalerfassung der verschiedenen Wegsensoren erfolgt über eine im PC eingebaute Meßwerterfassungskarte. Als Nutzeroberfläche findet das kommerziell erhältliche Programm DASYLab seine Anwendung. Zum Anschluß des Interferometers verbinden Sie die Interpolatorhardware mit dem Rechner über die serielle Schnittstelle COM1. Schalten Sie die Geräte ein. Danach starten Sie die Datei plan.exe im Verzeichnis Interfer. Überprüfen Sie die Phasenrichtigkeit der beiden Ausganssignale mittels Oszilloskopes über die beiden BNC-Buchsen (90 Phasenverschiebung ideal). 4. Vorbereitung Die folgenden Aufgaben dienen der Vorbereitung des Versuches. 1. Entwickeln Sie die Logik zur Richtungserkennung bei der Abtastung des inkrementellen Gebers (IAL) im Fall der Einfach- sowie der Mehrfachauswertung. 3. Informieren Sie sich über das Abbe'sche Komparatorprinzip und seine Anwendung sowie über entstehende Fehler. 4. Welche Aufgabe hat das Gegenraster bei inkrementellen Maßstäben (vgl. Bild 4)? 5. Informieren Sie sich über die Funktionsprinzipien der verschiedenen Wegmeßverfahren (inkrementelle, ohmsche, induktive und interferentielle Verfahren, Wirbelstrom- und Ultraschallverfahren). 6. Informieren Sie sich über die Funktionsweise eines Michelson-Interferometers. 5. Aufgaben Laborpraktikum Sensorik 9

10 5.1. Untersuchen Sie die Funktionsweise der digitalen Längenmessung auf der Basis direkt kodierter Längen mit Hilfe der vorhandenen Kodelineale bei: - Einfachabtastung (binäre Kodierung) - V-Abtastung (binäre Kodierung) - einschrittigem Kode (Gray-Kode). Beurteilen Sie die drei Verfahren nach ihrem Fehlerverhalten und dem notwendigen Aufwand bei ihrer Anwendung in einem Längenmeßmittel. 5.2 Skalieren Sie die Schaltungen so, daß die Ausgangssignale direkt in mm angezeigt werden und stellen Sie die statischen Kennlinien aller vier Sensoren graphisch dar! 5.4 Ermitteln Sie mit der potentiometrischen Anordnung die Reproduzierbarkeit der Meßanordnung bei Einhaltung und Verletzung des Abbéschen Komparatorprinzips. Stellen Sie dazu jeweils 12 mal wechselseitig den gleichen Wert ein und registrieren Sie die zugehörigen Meßwerte. Werten Sie die Meßreihen statistisch aus! Begründen Sie ihr Ergebnis! 5.5 Nehmen Sie die Kennlinien der beiden Fasersensoren auf! 5.6 Ermitteln Sie die maximale Empfindlichkeit des Interferometers. Zur Speicherung der Messdaten ist eine Diskette (1,4 MB) mitzubringen! 6. Hinweise zur Anwendung des Programmes DASYLab Das Programm DASYLab ist eine Meßwerterfassungs- und Auswertungssoftware unter Windows. Auf der Schalttafel können Schaltbilder entwickelt werden, die sich speichern und wieder laden lassen. Ein Schaltbild besteht aus Modulen (Funktionseinheiten) und den Verbindungen. Auf diese Weise können Auswerteschaltungen erstellt werden, die on-line der Signalverarbeitung von Meßsignalen dienen. 6.1 Schaltbild Die wichtigsten Module (Funktionseinheiten), die zur Erstellung der Meßwertverarbeitung erforderlich sind, werden im folgenden kurz erläutert. Eingänge/Ausgänge: Analogeingang Erfassung von bis zu 16 Analogkanälen einer Meßwerterfassungshardware Digitaleingang Erfassung von bis zu 16 Digitaleingängen einer Meßwerterfassungshardware Analogausgang Ausgabe von Analogwerten auf eine Meßwerterfassungshardware Digitalausgang Ausgabe von Digitalwerten auf eine Meßwerterfassungshardware Trigger: Vor-/Nach-Trigger Unabhängige Überwachung von bis zu 16 Signalen und Erzeugung von Triggersignalen aus diesen Signalen Start-/Stop-Trigger Unabhängige Überwachung von bis zu 16 Signalen zur einmaligen Erzeugung von Start/Stop-Signalen Laborpraktikum Sensorik 10

11 Mathematik: Arithmetik Trigonometrie Skalierung Ableitung/Integral Statistik: Regression Zähler Signalverarbeitung: Filter Versuch Wegsensoren S 3 Grundrechenarten und Exponentialfunktionen von ein bis zwei Eingangssignalen Trigonometrische Funktionen eines Eingangssignals Lineare Skalierung mit zwei Punkten (und Begrenzung) Interpolation mit Stützstellen Thermoelementelinearisierung Integration von Meßdaten oder Berechnung von Steigungen im Signalverlauf Konstante Regression (Mittelwert eines Datenblockes) Lineare Regression (Gerade, die von allen Punkten den kleinsten Abstand hat; je Eingangswert Berechnung eines Ausgangswertes) Zählen von Anzahl der Blöcke, Anzahl der Meßwerte, Flanken und Zeiten; ein Ausgangswert pro Block Digitale Filter verschiedener Typen, Ordnung, Charakteristik, Güte, Grenzfrequenz Korrelation Korrelationskoeffizient, Kreuzkorrelation, Autokorrelation, Cepstrum FFT Diskretes Spektrum eines Signales Steuern/Regeln: Generator Erzeugung von bis zu 16 verschiedenen Signalen mit unterschiedlicher Form, Amplitude, Phase und Offset Schalter Erzeugung von bis zu 8 TTL-Signalen, die in einem separaten Fenster umgeschaltet werden Handregler Erzeugung eines Signales, das mit einem Schieberegler in einem separaten Fenster eingestellt werden kann Relais Durchschaltung von bis zu 15 Signalen in Abhängigkeit eines gemeinsamen Steuersignales Zeitverzögerung Verzögerung eines Signales um n Blöcke Logische Verknüpfung Boole'sche Funktion von ein oder zwei Eingangssignalen Visualisierung: Y/t-Grafik Darstellung von bis zu 16 Datenkanälen in einem Anzeigefenster X/Y-Grafik Darstellung von bis zu 8 Datenkanälen in einem Anzeigefenster Zeigerinstrument Darstellung eines Datenkanals in einem Anzeigefenster Digitalinstrument Darstellung eines Datenkanals in einem Anzeigefenster 6.2 Datendarstellung Laborpraktikum Sensorik 11

12 Boole'sche Ausgangssignale haben folgende Zuordnung: low = 0 und high = 5. Boole'sche Eingangssignale werden folgendermaßen interpretiert: <1,5 = low und >1,5 = high. 6.3 Messung und Einstellungen Eine Messung wird mit F5 gestartet und mit STRG+F5 beendet. Für die Messung ist unter dem Meßparameter eine Blockgröße von 1 und eine Abtastrate von 1000 Hz einzustellen. Literatur Göpel, W; Hesse, J.; Zemel, J. N.: Sensors-A Comprehensive Survey. - Teil 5: Magnetic Sensors; VCH Verlagsgesellschaft mbh; Weinheim; Schrüfer, E.: Elektrische Meßtechnik: Messung elektrischer und nichtelektrischer Größen. - Carl Hanser Verlag; München, Wien; Schaumburg, H.: Werkstoffe und Bauelemente der Elektrotechnik. - Teil 3: Sensoren; B.G. Teubner; Stuttgart; Hauptmann,P.: Sensoren-Prinzipien und Anwendungen. - Carl Hanser Verlag; München, Wien; Sahner, G.: Digitale Meßverfahren. - Verlag Technik, Berlin Profos, P.: Handbuch der industriellen Meßtechnik. - Vulkan-Verlag; Essen, Laborpraktikum Sensorik 12