Sensorik & Aktorik Wahlpflichtfach Studienrichtung Antriebe & Automation

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1 Sensorik & Aktorik Wahlpflichtfach Studienrichtung Antriebe & Automation - Einführung - Prof. Dr. Ulrich Hahn SS 2010

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 2

3 Beispiel Einführung 3

4 Sensoren des Menschen 5 Sinne des Menschen: Sehen Hören Riechen Schmecken Fühlen thermisch mechanisch Schmerz Gleichgewicht Schnittstellen zur Umwelt Augen Sensoren Ohren Sensoren Nase Sensoren Zunge Sensoren Haut Sensoren Haut Sensoren Haut Sensoren Innenohr Tiere: Lichtpolarisation Magnetfeld Insekten Vögel, Bienen Einführung 4

5 Beispiel menschliches Auge Lichtverteilung einer Szene Abbildung auf Netzhaut Licht Nervenreiz Zuordnung Objektpunkte Objekt Vielfachsensor mit Vorverarbeitung Einführung 5

6 Informations- und Energiefluss in der Automatisierungstechnik Aktor Prozess Sensor Ausgabeeinheit Steuerung Signalverarb. : : primärer rer Informationsträger : : sekundärer Informationsträger (elektrisch) : : tertiärer rer Informationsträger Einführung 6

7 warum brauchen wir weitere Sensoren? Messbereichserweiterung der menschlichen Sinne Auge: Nah-, Fernsicht Empfindlichkeit UV, IR Ohr: Frequenzbereichserweiterung (Ultraschall) Empfindlichkeit Speicherung Kamera Film/Chip Mikrofon CD wenn keine menschlichen Sinne vorhanden sind Kernstrahlung elektrischer Strom, Spannung Lichtpolarisation Magnetfelder Steuerung, Überwachung Einführung 7

8 Klassifizierung von Sensoren erfasste physikalische Größe z. B. Temperatur Quecksilberthermometer Pt-100 Thermoelement physikalisches Wirkprinzip z. B. Widerstand Temperatur Kraft (DMS) Lichtstärke Aufgabe z. B. Brandmeldung Temperatur Rauch Strahlung Informationsträger des Ausgangssignals analog elektrisch digital elektrisch Einführung 8

9 mechanisch: thermisch: optisch: chemisch: Aktoren (Elektro)motoren Hydraulik Pneumatik Ventile, Pumpen, Ventilatoren Heizung Kühlung Leuchten Abdunklung, Verschattung Be-/ Entfeuchten akustisch: Lautsprecher Einführung 9

10 Themen der Lehrveranstaltung Sensoren zur Erfassung mechanischer Größen Kinematik: Dynamik Position, Weg, Geschwindigkeit, Beschleunigung... Näherungssensoren, Endschalter... Kraft, Drehmoment, Druck... Masse, Durchfluss... Sensoren zur Erfassung optischer Größen Lichteigenschaften: Lichtstärke, Farbe Lichtverteilung Umrisse, Szenen Anforderungen an Sensoren bei verschiedenen Aufgaben Genauigkeit, Richtigkeit Umgebungsbedingungen Aktoren: Eigenschaften, Anforderungen Einführung 10

11 einige Begriffe: (elementarer) Sensor, Messfühler wandelt (nicht-elektrische) physikalische Größen in (analoge) elektrische Größen um physikalischer Effekt Einführung 11

12 Sensorsystem einige Begriffe: Sensor und Elektronik zum Aufbereiten des elektrischen Signals Einführung 12

13 Multisensorsystem einige Begriffe: mehrere Sensorsysteme für bestimmte Aufgaben Beispiel: Wärmemenge Einführung 13

14 Anforderungen an Sensoren hinsichtlich der Messaufgabe Messbereich Empfindlichkeit, Größe des Ausgangssignals Genauigkeit, Auflösung Kalibrierung hinsichtlich Störungen "Querempfindlichkeiten" Messgröße wird von ähnlichen Größen beeinflusst Rückwirkung auf das Messobjekt "echte" Störgrößen Ausgangssignal hängt außer von der Messgröße von weiteren Größen ab Einführung 14

15 Anforderungen an Sensoren hinsichtlich des zeitlichen Verhaltens Übertragungsfunktion: linearer Bereich, Grenzfrequenz, Resonanzen Kriechen, Drift Alterung, Verscheiß Ausfallraten, Ausfallerkennung Lebensdauer Reproduzierbarkeit hinsichtlich Systemintegration Weiterverarbeitung des Ausgangssignals Anzeigen, Bedienung Wartung, Konfiguration, Anpassung vor Ort Einführung 15

16 Anforderungen an Sensoren hinsichtlich Kosten Fertigung Einzelkosten - Massenprodukt Wartung, Einbau, Ersatz Systemkosten: Herstellung Einbau Wartung Ausbau Schnittstellen Entsorgung hinsichtlich der Umgebung Größe, Miniaturisierung Einbausituation Schädigung durch Umgebungseinflüsse Einführung 16

17 statisches Verhalten von Sensoren Messgröße m: konstant während der Erfassung "eingeschwungener Zustand" ideal: Messgröße m ~ Ausgangs größe xa real: "Offset" nicht linear, evtl. mit "Offset" Extremfall: Sättigung Hysterese Einführung 17

18 Differenzmessung Messen mit 2 Sensoren Messgröße x gegensinnig Störgröße ϑ gleichsinnig Einführung 18

19 dynamisches Verhalten ideal nur Signallaufzeiten verzögern Ausgangssignal x A ( t) = k m ( t t0) xa( s) jωt0 Übertragungsfunktion: F( s) : = = k e m( s) F ( s) = F( jω) = k Im F( s) tan ϕ : = = tan( ω t0) Re F( s) ϕ = ω t 0 Sensor "Nullter" Ordnung Einführung 19

20 dynamisches Verhalten real (1) Sensor hat einen Energiespeicher Messobjekt lädt Speicher Ausgangssignal konstant wenn Speicher voll Sprungantwort m, x A x A ( t) = k m (1 e t / τ Sensor "Erster" Ordnung ) t /τ Einführung 20

21 dynamisches Verhalten Übertragungsfunktion: F( s) 1 = 1 + τ s Frequenzgang: F( jω) = 1 1+ ( τω)² 1,2 1 0,8 F 0,6 0,4 0,2 0 0,0001 0,001 0,01 0, τω Einführung 21

22 dynamisches Verhalten Phasengang: ϕ( jω) = arctan( τω) 0-45 ϕ ,0001 0,001 0,01 0, τω DIN 19226: "Einschwingzeit" x A (t E ) = 0,95. x A ( ) t E 3τ Grenzfrequenz: F(ω g ) = 0,95. F(0) ω g 0,33/τ Einführung 22

23 dynamisches Verhalten real (2) Sensor stellt schwingfähiges System dar 2 Energiespeicher, Dämpfung 3 charakteristische Frequenzen: ω f, ω d, ω res, δ modellhafte Beschreibung: x A x A + α x& + β & x A A 2δ 1 + x& A + & x 2 2 ω ω f f = k m A = k m Sprungantwort abhängig von der Dämpfung Schwingung Kriechen aperiodischer Grenzfall Sensor "Zweiter" Ordnung Einführung 23

24 dynamisches Verhalten Schwingung: δ < ω f xa 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0, ω f t Kriechen: δ > ω f 1,2 1 Hz 0,8 x A 0,6 0,4 0, Einführung 24 ω f t

25 dynamisches Verhalten 2 ω f Übertragungsfunktion: F( s) = 2 2 ω + 2 δ s + s f Frequenzgang: F( jω) = ( ω 2 f ω 2 ω ) 2 2 f + (2 δ ω) 2 5 Hz 4 3 F , ω /ω f Einführung 25

26 Einschwingzeit (Schwingfall): aperiodischer Grenzfall: Kriechfall: dynamisches Verhalten 2 f ˆA( t) = k m 2 2 ω f δ x x A ( t) ω < 0, 05k m e δt < 0,05k m ωf. t(0,95) ,5 1 1,5 2 2,5 3 δ/ω f Einführung 26

27 dynamisches Verhalten Grenzfrequenz: F(ω g ) = 0,95. F(0) 1,6 1,4 1,2 ωg/ωf 1 0,8 0,6 0,4 0, ,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 δ/ω f Einführung 27

28 Auswahlkriterien für Sensoren Messgröße Welche Messgröße soll erfasst werden? Anwendungsbereich Unterlast Anwendungsbereich Überlast Zerstörung Messbereich statisch - dynamisch Messfrequenz Auflösung (Signal, zeitlich, räumlich) Hilfsgrößen Kalibrierung Drift, Reproduzierbarkeit Verstärkung, Signalverarbeitung, Ausgangssignal Störungen Umwelt (Temperatur, Druck, Vibration...) EMV physikalisches Messprinzip Einführung 28

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