Sensoren und Aktoren Digitaltechnik

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1 BSZ für Elektrotechnik Dresden Sensoren und Aktoren Digitaltechnik Dr.-Ing. Uwe Heiner Leichsenring Gliederung 1 Sensoren 1.1 Aktive und passive Sensoren 1.2 Analoge Sensoren 1.3 Binäre Sensoren 1.4 Digitale Sensoren 2 Aktoren 2.1 Elektromotoren 2.2 Elektromechanische Aktoren 2.3 Elektrothermische Aktoren 2.4 Hydraulik- und Pneumatik-Aktoren 2.5 Elektrochemische Aktoren 2.6 Bimetall-Aktoren 2.7 Piezo-Aktoren 2.8 Optische Aktoren 1

2 1 Sensoren 1.1 Aktive und passive Sensoren Begriffe: Sensoren formen nichtelektrische Größen in elektrische Größen um. Aktive Sensoren wandeln nichtelektrische Energie direkt in elektrische Energie um (z. B. thermische, Licht- oder mechanische Energie wird umgesetzt in elektrische Energie). Aktive Sensoren erzeugen damit eine Spannung, die weiter verarbeitet werden kann (z. B. Thermoelemente, Fotoelemente oder piezoelektrische Elemente). Aktiver Sensor Elektrische Energie Steuersignal Übertragungsglied Das Übertragungsglied hat in der Regel nur die Funktion eines Messverstärkers - eine Energiezuführung zum Sensor oder Signalumformung ist nicht erforderlich. 2

3 1.1 Aktive und passive Sensoren Begriffe: Passive Sensoren ändern unter dem Einfluss nichtelektrischer, physikalischer Größen (z. B. Druck, Temperatur oder Magnetfeld) ihre elektrischen Eigenschaften (z. B. Widerstand oder Induktivität). Passiver Sensor Elektrische Eigenschaft bestimmt z. B. Spannung oder Stromstärke Zuführung Hilfsenergie Steuersignal Übertragungsglied Da der passive Sensor keine Energie liefert, muss ihn das Übertragungsglied entsprechend speisen und den jeweils fließenden Strom in ein weiter verwendbares Steuersignal umwandeln. Das Übertragungsglied hat damit in der Regel die Funktion eines Messumformers (z. B. Strom in Spannung). 1.1 Aktive und passive Sensoren Begriffe: Das Übertragungsglied hat die Aufgaben, die von Sensoren eintreffenden Signale - zu verstärken (Sensorsignale zu schwach für direkte Weiterleitung und -verwendung), - zu linearisieren (Verlauf der Sensorsignale stimmt nicht mit dem Verlauf der zu messenden Größe überein - z. B. oft bei Temperatursensoren), - zu kalibrieren (z. B. Nullpunkt des Sensorsignals wird auf den Nullpunkt der zu messenden Größe abgestimmt - 0 C Temperatur erzeugen 0 Volt Spannung). 3

4 1.2 Analoge Sensoren Begriff: Mit analogen Sensoren lassen sich physikalische Größen wie z. B. Weg und Temperatur als analoge elektrische Größen z. B. in Form von Spannung oder Strom darstellen. Die Bezeichnung analog bezieht sich somit auf die Ausgangssignale des Sensors, nicht auf die zu messenden Größen. 1.2 Analoge Sensoren Analoge Sensoren zur Wegmessung Verwendung eines Linearpotenziometers (Schleifer mit bewegtem Objekt verbunden, Widerstand des Potenziometers ändert sich in Abhängigkeit von der Lage des bewegten Objekts - passiver Sensor) 4

5 1.2 Analoge Sensoren Analoge Sensoren zur Wegmessung Verwendung von Feldplatten (Annäherung eines äußeren Magnetfeldes an den Sensor verändert die Strombahnen im Sensormaterial und damit dessen elektrischen Widerstand - berührungsloses Messen von kleinen Wegen - passiver Sensor) 1.2 Analoge Sensoren Analoge Sensoren zur Winkelmessung Verwendung eines Potenziometers (Schleifer mit drehbaren Objekt verbunden, Widerstand des Potenziometers ändert sich in Abhängigkeit vom Drehwinkel des gedrehten Objekts - passiver Sensor) 5

6 1.2 Analoge Sensoren Analoge Sensoren zur Winkelmessung Verwendung von Feldplatten (Permanentmagnet wird an drehbarem Objekt befestigt, dessen Annäherung an die Feldplatte verändert die Strombahnen im Sensormaterial und damit deren elektrischen Widerstand, berührungsloses Messen von kleinen Winkeln - passiver Sensor) 1.2 Analoge Sensoren Analoge Sensoren zur Messung von Dehnung, Kraft, Druck und Drehmoment (Zusammenfassung wegen ähnlicher Eigenschaften dieser physikalischen Größen) Verwendung von Dehnungsmessstreifen DMS (Widerstand von DMS steigt bei Dehnung - Länge vergrößert sich, Querschnitt sinkt - und sinkt bei Stauchung - Länge verringert sich und Querschnitt steigt - passiver Sensor); es gilt bekanntlich: ρ l R = A mit ρ = spezifischer Widerstand l = Länge [m] und A = Querschnittsfläche [mm²] 6

7 1.2 Analoge Sensoren Analoge Sensoren zur Messung von Dehnung, Kraft, Druck und Drehmoment (Zusammenfassung wegen ähnlicher Eigenschaften dieser physikalischen Größen) Verwendung von Dehnungsmessstreifen DMS 1.2 Analoge Sensoren Analoge Sensoren zur Messung von Temperaturen Verwendung von Widerstandsthermometern (Widerstand bestimmter Materialien verändert sich in Abhängigkeit von ihrer Temperatur - hohe Temperatur erzeugt einen hohen Widerstand, niedrige Temperatur verringert den Widerstand - passiver Sensor) 7

8 1.2 Analoge Sensoren Analoge Sensoren zur Messung von Temperaturen Verwendung von Thermistoren (Widerstand bestimmter Materialien verändert sich in Abhängigkeit von ihrer Temperatur) a) hohe Temperatur erzeugt einen hohen Widerstand, niedrige Temperatur verringert den Widerstand - dann handelt es sich um einen Kaltleiter PTC = Positive Temperature Coefficient - passiver Sensor 1.2 Analoge Sensoren Analoge Sensoren zur Messung von Temperaturen b) hohe Temperatur erzeugt einen niedrigen Widerstand, niedrige Temperatur erhöht den Widerstand - dann handelt es sich um einen Heißleiter NTC = Negative Temperature Coefficient - passiver Sensor 8

9 1.2 Analoge Sensoren Analoge Sensoren zur Messung von Temperaturen Verwendung von Thermoelementen (Kombination bestimmter Metalle erzeugt beim Erhitzen eine mit der Temperatur steigende Thermospannung von wenigen µv/k - aktiver Sensor) 1.3 Binäre Sensoren Begriff: Binäre Sensoren liefern ein binäres Ausgangssignal - z. B. 1 oder 0 bzw. Ein oder Aus. Die Bezeichnung binär bezieht sich damit auch hier die Ausgangssignale des Sensors, nicht auf die zu messenden Größen. Binäre Sensoren enthalten mechanische oder elektronische Schalter. 9

10 1.3 Binäre Sensoren Binäre Sensoren als Thermoschalter Temperaturkontrolle durch Bimetall (Bewegung des Bimetalls öffnet oder schließt Schaltkontakt - passiver Sensor) 1.3 Binäre Sensoren Binäre Sensoren als Thermoschalter Temperaturkontrolle durch Bimetall (Bewegung des Bimetalls öffnet oder schließt Schaltkontakt - passiver Sensor) 10

11 1.3 Binäre Sensoren Binäre Sensoren als Näherungsschalter induktive Messung (ein Metallteil vor der Sensorfläche verändert die Induktivität eines Schwingkreises im Sensor, was zu einer Frequenzänderung führt - passiver Sensor) 1.3 Binäre Sensoren Binäre Sensoren als Näherungsschalter kapazitive Messung (ein metallischer oder nichtmetallischer Körper vor der Sensorfläche verändert die Eigenschaften des Dielektrikums und damit die Kapazität eines Kondensators, was die Ausgangsspannung des Sensors beeinflusst - passiver Sensor) 11

12 1.3 Binäre Sensoren Binäre Sensoren als Näherungsschalter optische Messung (ein vom Sensor abgestrahlter Lichtstrahl wird am Messobjekt reflektiert und im Sensor durch einen Fototransistor empfangen - je weiter das Messobjekt entfernt ist, desto länger benötigt der Lichtstrahl für den Weg bis zum Messobjekt und zurück - passiver Sensor) 1.4 Digitale Sensoren Begriff: Digitale Sensoren werden zur zahlenmäßigen Erfassung von Messgrößen verwendet. Digitale Sensoren zur Wegmessung Messung über ein Codelineal (optische Erfassung einer z. B. durch Punkte aufgebrachten digitalen Information auf dem Codelineal) a) absolute Messung - die einzelnen Informationen auf dem Codelineal müssen sich unterscheiden und werden direkt ausgewertet 12

13 1.4 Digitale Sensoren Digitale Sensoren zur Wegmessung b) inkrementell - es interessiert nur die Anzahl zurückgelegter Markierungen auf dem Codelineal, das hierfür nur ein regelmäßiges Strichraster benötigt 1.4 Digitale Sensoren Digitale Sensoren zur Winkelmessung Messung über eine Codescheibe (optische Erfassung einer z. B. durch Punkte aufgebrachten digitalen Information auf der Codescheibe) a) absolute Messung - die einzelnen Informationen auf der Codescheibe müssen sich unterscheiden und werden direkt ausgewertet 13

14 1.4 Digitale Sensoren Digitale Sensoren zur Winkelmessung b) inkrementell - es interessiert nur die Anzahl zurückgelegter Markierungen auf der Codescheibe, die hierfür nur ein regelmäßiges Strichraster benötigt 2 Aktoren Begriff: Aktoren sind elektrische Einrichtungen, die Informationen empfangen und die zugehörigen Aktionen ausführen. Im Rahmen einer Steuerung oder Regelung bilden sie die Gegenstücke zu den Sensoren, in dem sie elektrische Signale in nichtelektrische Aktionen umsetzen. Elektromotoren, elektromechanische Aktoren, elektrothermische Aktoren, Hydraulik- oder Pneumatik-Aktoren, elektrochemische Aktoren, Bimetall-Aktoren, Piezo-Aktoren 14

15 2.1 Elektromotoren Gleichstrommotoren (Erzeugung eines Drehmoments in Abhängigkeit von der Größe der anliegenden Spannung) 2.1 Elektromotoren Gleichstrommotoren Funktionsprinzip 15

16 2.1 Elektromotoren Gleichstrommotoren Funktionsmuster (Miniformat) 2.1 Elektromotoren Gleichstrommotoren Funktionsmuster mit 950 kw Leistung 16

17 2.1 Elektromotoren Wechselstrommotoren Erzeugung eines Drehmoments (nur mit Hilfe von Elektronik speziell steuerbar) 2.1 Elektromotoren Wechselstrommotoren Funktionsprinzip Asynchronmotor Rotor mit in sich geschlossener Leiterschleife/Wicklung ohne äußere Anschlüsse 17

18 2.1 Elektromotoren Wechselstrommotoren Funktionsprinzip Synchronmotor Rotor mit stromdurchflossener (Erreger-)Wicklung, die von außen gespeist wird 2.1 Elektromotoren Wechselstrommotoren Funktionsmuster Asynchronmotor 18

19 2.1 Elektromotoren Wechselstrommotoren Funktionsmuster Synchronmotor 2.2 Elektromechanische Aktoren Relais (in der Regel durch einen Elektromagneten betätigte Schalteinheit mit mehreren Kontakten bzw. Öffnern und Schließern) Funktionsprinzip 19

20 2.2 Elektromechanische Aktoren Relais Funktionsmuster (Relasissatz) 2.2 Elektromechanische Aktoren Schütze (in der Regel durch einen Elektromagneten betätigte Schalteinheit mit mehreren Kontakten bzw. Öffnern und Schließern im Vergleich zu Relais für erheblich höhere Ströme ausgelegt) Funktionsprinzip 20

21 2.2 Elektromechanische Aktoren Schütze Funktionsmuster 2.2 Elektromechanische Aktoren Lautsprecher (in der Regel durch eine stromdurchflossene Spule im Magnetfeld bewegte Lautsprechermembran, die dadurch in der Lage ist, Schallwellen anzustrahlen) Funktionsprinzip 21

22 2.2 Elektromechanische Aktoren Lautsprecher Funktionsmuster (Tiefton- und separater Hochtonlautsprecher) 2.2 Elektromechanische Aktoren Lautsprecher Funktionsmuster (Hochtonlautsprecher) 22

23 2.2 Elektromechanische Aktoren Lautsprecher Funktionsmuster (Hochtonlautsprecher) 2.3 Elektrothermische Aktoren Induktionsheizung (starkes magnetisches Wechselfeld ruft hohe (Wirbel-)Ströme in einem Leiter hervor, der sich dadurch erwärmt) Funktionsprinzip 23

24 2.3 Elektrothermische Aktoren Induktionsheizung Funktionsmuster (Vakuum-Induktionsofen) 2.3 Elektrothermische Aktoren Dielektrische Heizung (hochfrequentes elektrisches Wechselfeld bringt die Moleküle eines Nichtleiters zum Schwingen, der sich dadurch erwärmt) Funktionsprinzip 24

25 2.3 Elektrothermische Aktoren Dielektrische Heizung Funktionsmuster (Parkettpresse mit Mikrowellenheizung) 2.3 Elektrothermische Aktoren Dielektrische Heizung Funktionsmuster (Wandtrocknung) 25

26 2.4 Hydraulik- oder Pneumatik-Aktoren Hydraulisches Magnetventil für Flüssigkeiten (durch einen Elektromagneten betätigtes Ventil, wobei das Ventil nur schlagartig geöffnet oder geschlossen werden kann, Zwischenstellungen sind in der Regel nicht möglich) Funktionsmuster 2.4 Hydraulik- oder Pneumatik-Aktoren Hydraulisches Motorventil für Flüssigkeiten (durch einen Elektromotor betätigtes Ventil, wobei das Ventil in der Regel nur allmählich geöffnet oder geschlossen werden kann, schrittweises Öffnen oder Schließen und beliebige Zwischenstellungen sind möglich) Funktionsmuster 26

27 2.4 Hydraulik- oder Pneumatik-Aktoren Pneumatisches Magnetventil für Gase (durch einen Elektromagneten betätigtes Ventil, wobei das Ventil nur schlagartig geöffnet oder geschlossen werden kann, Zwischenstellungen sind in der Regel nicht möglich) Funktionsmuster 2.4 Hydraulik- oder Pneumatik-Aktoren Pneumatisches Motorventil für Gase (durch einen Elektromotor betätigtes Ventil, wobei das Ventil in der Regel nur allmählich geöffnet oder geschlossen werden kann, schrittweises Öffnen oder Schließen und beliebige Zwischenstellungen sind möglich) Funktionsmuster 27

28 2.5 Elektrochemische Aktoren Elektrochemischer Antrieb (Aufladung / Entladung führt zu Ausdehnung / Schrumpfung des Gehäuses durch Bildung / Verbrauch von Wasserstoff) Funktionsmuster 2.5 Elektrochemische Aktoren Akkumulatoren (Aufladung / Entladung führt zu chemischen Veränderungen im Akkumulator) Funktionsprinzip 28

29 2.5 Elektrochemische Aktoren Akkumulatoren Funktionsmuster (Li-Ionen-Akku) 2.5 Elektrochemische Aktoren Akkumulatoren Funktionsmuster (Li-Ionen-Akku) 29

30 2.6 Bimetall-Aktoren Bimetall-Antrieb (Bewegung des Bimetalls bei Erwärmung durch hohen Strom öffnet den Schaltkontakt) Funktionsmuster 2.7 Piezo-Aktoren Piezo-Aktor (Krafterzeugung durch Piezoelement) Funktionsmuster 30

31 2.7 Piezo-Aktoren Piezo-Aktor (Krafterzeugung durch Piezoelement) Funktionsmuster 2.7 Piezo-Aktoren Piezo-Antrieb (piezogetriebene Mikropumpe für Prothesen) Funktionsmuster 31

32 2.7 Piezo-Aktoren Piezo-Antrieb (piezogetriebene Mikropumpe) Funktionsmuster 2.8 Optische Aktoren Leuchtdiode LED Funktionsmuster 32

33 2.8 Optische Aktoren LED-Spot Funktionsmuster 2.8 Optische Aktoren Organische Leuchtdiode OLED Funktionsprinzip 33

34 2.8 Optische Aktoren OLED Funktionsmuster 34

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