Übung: Sensortechnik. Identifizierungs- und Automatisierungstechnik. Prof. Dr. Michael ten Hompel. Sascha Feldhorst

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1 Identifizierungs- und Automatisierungstechnik Übung: Sensortechnik Prof. Dr. Michael ten Hompel Sascha Feldhorst Lehrstuhl für Förder- und Lagerwesen TU Dortmund 1

2 Übung: Sensortechnik Gliederung Aufgaben: 1. Mechanische Sensoren 2. Optische Sensoren 3. Induktive Sensoren 4. Auswahl eines Sensors Vorgehensweise Szenario: FTF 2

3 Mechanische Sensoren: Aufgabe 1 Ein mechanischer Sensor ist ein einfacher, berührungsgebundener Sensor (taktil) Funktionsweise: Von außen einwirkende Kraft schließt oder öffnet einen elektrischen Kontakt Merkmale: Einfacher Aufbau Taktile Arbeitsweise Wird i.d.r. bei geringer Betätigungswahrscheinlichkeit eingesetzt Ausführungen: Endschalter, Not-Aus-Schalter 3

4 Mechanische Sensoren: Aufgabe 1.1 Typische Probleme Nennen Sie typische Probleme, die bei mechanischen Sensoren auftreten? 4

5 Mechanische Sensoren: Lösung 1.1 Typische Probleme Hysterese: Differenz zwischen Abstand des Einschaltzeitpunkts zum Abstand des Ausschaltzeitpunkts Beeinflusst die Genauigkeit der Sensorereignisse Lösung: Berücksichtigung bei der Auswertung Prellen: Mehrfaches Ein- und Ausschalten bei einfacher Betätigung Kann zu unvorhersehbaren Zuständen führen Lösung: Verzögerung bei der Auswertung (Anti-Chatter) Verschleiß: Abnutzung des Schalters und der Kontakte Lösung: Einsatz nur bei geringer Betätigungswahrscheinlichkeit Bildquelle: Sharp (oben) 5

6 Mechanische Sensoren: Einfachen Sensor selbstbauen Arduino macht s möglich Grundidee: Sensoreinheit anschließen Arduino übernimmt Signalaufbereitung Signalverarbeitung Beispiel: Mechanischer 1-Bitsensor Bildquellen: Mike Newell (Ultraschallsensor), Adrian Tomic (Temperatursensor), Keith Braafladt (Feuchtigkeitssensor) Mark Frauenfelder (Pulssensor) 6

7 Mechanische Sensoren: Einfachen Sensor selbstbauen Bildquelle: arduino.cc 7

8 Optische Sensoren: Aufgabe 2 Wirkprinzip: Lichtsignal wird zwischen Quelle und Detektor ausgetauscht und festgelegte Eigenschaften auf Empfängerseite erhoben, wie Intensität, Phasenverschiebung oder Lichtlaufzeit Ausführungen: Einfacher Sensor bis intelligenter Sensor inkl. Auswertung Ausgangsgrößen: 1-Bit, Mehrbit Messgrößen: Anwesenheit, Entfernung, Position, 8

9 Optische Sensoren: Aufgabe 2.1 Profilkontrolle Sie sollen am Übergabepunkt eines Hochregals eine Profilkontrolle für Europoolpalette realisieren. Der Übergabepunkt besteht aus einem 3m breiten Tor Durch das Tor soll entsprechende Fördertechnik verlaufen Wählen Sie die benötigten Sensoren aus und zeichnen diese in die Skizze ein! 9

10 Optische Sensoren: Lösung 2.1 Profilkontrolle Verbaute Sensoren Reflexionslichtschranken Einweglichtschranken Hinweise: Anbringung muss an Fachhöhen angepasst sein Kontrolle der Vorder- und Rückseite ebenfalls notwendig Zusätzlich Kontrolle der Palettenfüße sinnvoll 10

11 Optische Sensoren: Aufgabe 2.2 Typische Probleme Nennen Sie typische Probleme, die bei optischen Sensoren auftreten? 11

12 Optische Sensoren: Lösung 2.2 Typische Probleme Allgemeine Problem: Fremdlichteinfall Lösungen: Polarisationsfilter, Ausrichtung Verschmutzung Lösungen: Regelmäßige Reinigung, Anbringungsweise Spezifische Probleme: Übersprechen (PMD-Kameras, Lichttaster) Lösungen: Multiplexen, z.b. Raum, Zeit oder Frequenz Künstliche Hysterese (Lichttaster) Ansprechverhalten abhängig von der Reflexivität der Oberfläche (Lichttaster) Lösungen: Berücksichtigung bei der Auslegung, Tests Bildquelle: Uni Erlangen (Filter), Rockwell Automation (Übersprechen) 12

13 Optische Sensoren: Einfachen Sensor selbstbauen Arduino macht s möglich Grundidee: Sensoreinheit anschließen Arduino übernimmt Signalaufbereitung Signalverarbeitung Beispiel: Einfacher Lichttaster Bildquellen: Mike Newell (Ultraschallsensor), Adrian Tomic (Temperatursensor), Keith Braafladt (Feuchtigkeitssensor) Mark Frauenfelder (Pulssensor) 13

14 Optische Sensoren: Einfachen Sensor selbstbauen Bildquelle: arduino.cc 14

15 Induktive Sensoren: Aufgabe 3 Wirkprinzip: Nutzt physikalischen Effekt der Güteänderung eines Schwingkreises durch Wirbelstromverluste LC-Schwingkreis erzeugt hochfrequentes Wechselfeld Leitende Materialien im Feld entziehen dem Schwingkreis Energie (Induktion) Kleinere Schwingamplitude, wenn leitende Materialien im Feld sind Ausführungen: Häufig als einfacher Näherungsschalter (1-Bit) Schaltabstand einige mm bis cm 15

16 Induktive Sensoren: Aufgabe 3.1 Anwesenheitsprüfung Wie könnte man die Anwesenheit von Stückgütern beliebigen Materials auf einem Rollenförderer mithilfe von Induktivsensoren realisieren? 16

17 Induktive Sensoren: Lösung 3.1 Anwesenheitsprüfung Wie könnte man die Anwesenheit von Stückgütern beliebigen Materials auf einem Rollenförderer mithilfe von Induktivsensoren realisieren? Mechanik bewegt Metallobjekt vor dem Sensor! 17

18 Auswahl eines Sensors: Aufgabe 4 Bei der Auswahl eines Sensors spielen viele Faktoren eine Rolle, wie Messgröße oder Messobjekt (z.b. Material) Umgebungsbedingungen (z.b. Temperatur) Anschaffungskosten Vorgehen: Schrittweise Einschränkung, z.b. Ausschluss durch Erfahrungswerte Ausschluss aus Sicherheitsaspekten Ausschluss durch Materialbeschaffenheit Ausschluss durch Entfernung 18

19 Auswahl eines Sensors: Szenario FTF 19

20 Auswahl eines Sensors: Aufgabe 4.1 Hinderniserkennung Der Laserscanner soll durch eine günstigere Alternative ersetzt werden. Skizzieren Sie eine mögliche Alternative im rechten Bild und erläutern Sie die Vor- und Nachteile. 20

21 Auswahl eines Sensors: Lösung 4.1 Hinderniserkennung Einsatz von analogen Ultraschallsensoren Vorteile: Günstig, Einfachere Verarbeitung Nachteile: Kürzere Distanz, 1D-Messwerte (x) anstatt 2D-Werte (x,y), Stärkere Abhängigkeit von Umgebung, Zulassung 21

22 Auswahl eines Sensors: Aufgabe 4.2 Ultraschallsensoren Kürzel A B C D E F G H Einflussgröße Lufttemperatur Staub Luftfeuchtigkeit Erschütterung Metallische Gegenstände Umgebungsgeräusche Luftdruck Oberfläche Wirkprinzip: Schall wird an Hindernis reflektiert, über Laufzeitmessung erfolgt eine Detektion bzw. Entfernungsmessung Welche Einflussgrößen beeinflussen die Eigenschaften von Ultraschallsensoren? Eigenschaft Messgenauigkeit (Laufzeit) Funktionsfähigkeit Beeinflusst durch Bildquelle: SIEMENS 22

23 Auswahl eines Sensors: Lösung 4.2 Ultraschallsensoren Kürzel A B C D E F G H Einflussgröße Lufttemperatur Staub Luftfeuchtigkeit Erschütterung Metallische Gegenstände Umgebungsgeräusche Luftdruck Oberfläche Wirkprinzip: Schall wird an Hindernis reflektiert, über Laufzeitmessung erfolgt eine Detektion bzw. Entfernungsmessung Welche Einflussgrößen beeinflussen die Eigenschaften von Ultraschallsensoren? Eigenschaft Messgenauigkeit (Laufzeit) Funktionsfähigkeit Beeinflusst durch A, C, G D, (F), H Hinweis: Orthogonale Ausrichtung gerader Oberflächen für ein gutes Echo nötig (+/- 3 ) Bildquelle: SIEMENS 23

24 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 24

25 Ansprechpartner Lehrstuhl für Förder- und Lagerwesen LogistikCampus Joseph-von-Fraunhofer-Str Dortmund Telefon: Fax: Prof. Dr. Michael ten Hompel Mojtaba Masoudinejad, M.Sc. Telefon: Lehrstuhl für Förder-und Lagerwesen Technische Universität Dortmund Prof. Dr. Michael ten Hompel