Mechanische Größen elektrisch gemessen

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1 Mechanische Größen elektrisch gemessen Grundlagen und Beispiele zur technischen Ausführung Dipl.-Ing. Michael Laible Prof. Dr.-Ing. Robert K. Müller Dipl.-Phys. Bernhard Bill Dipl.-Ing. Klaus Gehrke 5., völlig neu bearbeitete Auf läge Mit 214 Bildern, 5 Tabellen und 68 Literaturstellen Kontakt & Studium Band 45 Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Wilfried J. Bartz Technische Akademie Esslingen Weiterbildungszentrum DI Elmar Wippler expert vertag

2 Vorwort 1 Grundlagen des elektrischen Messens mechanischer Größen Einführung Grundsätzliches über das Messen Was bedeutet Messen? Die Messkette Die wichtigsten Prinzipien zur Umwandlung von mechanischen Größen in elektrische Signale Ohmscher Widerstand Potentiometeraufnehmer Dehnungswiderstandseffekt Piezoresistive Aufnehmer Piezoelektrische Aufnehmer Induktive Aufnehmer Kapazitive Aufnehmer Weitere Sensorprinzipien Vor-und Nachteile des elektrischen Messens Weitere Informationen Elektrische Schaltungen für Aufnehmer Spannungsteilerschaltung Wheatstone'sche Brückenschaltung Grundlagen Anwendungsformen der Wheatstone-Brücke Vor- und Nachteile der Wheatstone-Brücke Speisung mit Konstantstrom Messketten mit Frequenzmessung (Schwingkreis) Ladungsverstärker 36

3 2 Grundlagen und Anwendung der Dehnungsmessstreifen-Technik 39 K. Gehrke 2.1 Einleitung Grundlagen und Wirkungsweise von DMS Das Hooke'sche Gesetz Die Dehnung Der Thomson-Versuch Die Erfindung des DMS Folien-DMS Die Wheatstone-Brücke Darstellung und Wirkungsweise Anwendungsformen Kompensation von Störgrößen Selbstkompensierende DMS Ausführungsformen von DMS Auswahl von DMS Die Installation von DMS Kalthärtende Klebstoffe Heißhärtende Klebstoffe Weitere Materialien Ermittlung der Spannung aus der gemessenen Dehnung Der einachsige Spannungszustand Der zweiachsige Spannungszustand 61 3 Aufnehmer mit Dehnungsmessstreifen 65 K. Gehrke 3.1 Einleitung Bauformen von Aufnehmern Kraftaufnehmer und Wägezellen Druckaufnehmer Drehmomentaufnehmer Eigenschaften von DMS-Aufnehmern Hinweise zum Einbau von Aufnehmern Störungen für Kraft- und Gewichtsmessungen Störungen bei Druckmessungen > Störungen bei Drehmomentmessungen 92

4 4 Piezoelektrische Sensoren 95 B. Bill 4.1 Einleitung Grundlagen Die piezoelektrischen Effekte in Kristallen Materialien für Sensorelemente Aufbereiten der Messgrösse Sensoren für Kräfte und Momente Sensoren zum Messen einer Kraftkomponente Sensoren zum Messen mehrer Kraftkomponenten Sensoren zum Messen von Drehmoment Anwendungsbeispiele Kalibrieren von Kraftsensoren Dehnungssensoren Prinzipieller Aufbau Anwendung Kalibrierung von Dehnungssensoren Drucksensoren Prinzipieller Aufbau von Drucksensoren Drucksensoren für allgemeine Anwendungen Niederdrucksensoren Hochdrucksensoren Drucksensoren für Messungen bei hohen Temperaturen Drucksensoren zur Messung des Werkzeuginnendrucks Kalibrierung von Drucksensoren Beschleunigungssensoren Prinzipieller Aufbau von Beschleunigungssensoren Anwendungsgebiete und Bauformen von Beschleunigungssensoren Kalibrierung von Beschleunigungssensoren Verstärker für piezoelektrische Sensoren Ladungsverstärker Allgemeines Zeitkonstante und Drift Sensoren mit Spannungsausgang Kuppler 120

5 5 Induktive Aufnehmer Einleitung Aktive induktive Aufnehmer Passive Mehrspulensysteme mit Kern Wegaufnehmer mit Tauchanker Wegtaster Passive Einspulensysteme mit Kern Berührungsfreie Wegaufnehmer Berührungsfreie Aufnehmer für niederfrequente Speisung Induktive Aufnehmer nach dem Wirbelstromprinzip Vor- und Nachteile berührungsfreier Systeme Anwendungen Magnetostriktive Wegaufnehmer Induktiv-potentiometrische Aufnehmer Beschleunigungsaufnehmer Aufnehmer mit magnetoelastischem Prinzip Weitere induktive Aufnehmer Einbauhinweise für Wegaufnehmer Kapazitive Aufnehmer 139 M. Laibie 6.1 Einführung Bauformen Ausführungen kapazitiver Aufnehmer Weitere Aufnehmerprinzipien Einführung Piezoresistive Sensoren Optische Sensoren Faseroptische Sensoren Längenmessung über Korrelationsverfahren Sensoren mit Triangulationsprinzip 158

6 8 Messverstärker Einleitung Gleichspannungsverstärker Trägerfrequenzverstärker Vergleich der Verfahren Obere Grenzfrequenz Impulswiedergabe Temperatureinfluss auf Nullpunkt und Empfindlichkeit Linearitätsfehler Einflüsse von elektromagnetischen Störungen Einflüsse auf Gleichspannungsverstärker Einflüsse auf Trägerfrequenzverstärker Resümee EMV-Schutz Digitale Datenerfassung und Verarbeitung Einleitung Ausführungen digitaler Messverstärker Prinzipielle Funktionsweise Parallel arbeitende Anlagen Sequentiell arbeitende Anlagen Schnittstellen Schnittstellen für den Laboreinsatz IEEE COMx mit RS COMx (RS-232) Druckerschnittstelle LPT USB Firewire Feldbussysteme Ethernet (TCP/IP) DIN-Messbus CAN, CANopen und DeviceNet PROFIBUS Interbus 193

7 MODbus bzw. 3964R-RK512 (Siemens) Weitere Bussysteme Software für die Messtechnik Digitale Messwerterfassung Welche Messrate ist richtig? Filterung von Signalen Abgleich von Messketten Einleitung Messungen mit Dehnungsmessstreifen Die Shunt-Kalibrierung Der Abgleich durch Eingabe der Kennwerte Die Berücksichtigung von k-faktoren Messungen mit DMS-Aufnehmern Der Abgleich durch direkte Belastung des Aufnehmers Der Abgleich mit Shunt-Kalibrierung Der Abgleich mit einem Kalibriergerät Der Abgleich durch Eingabe der Kennwerte Messungen mit induktiven Aufnehmern Besonderheiten beim Abgleich Der Abgleich von Trägerfrequenz-Messverstärkern Nullabgleich C Referenzphasenabgleich Zusammenfassung Durchführen von Messungen Einleitung Aufgabenstellung Planung Allgemeines Temperatur als Störgröße Auswirkungen von Temperaturänderungen Kompensation des Temperatureinflusses Temperaturmessung > Dokumentation 229

8 Letzte Fragen Vorbereitung der Messung Praktische Durchführung Berechnung der Messunsicherheit Einleitung Messabwalchung und Messunsicherheit Zufällige Messabweichung e r Messunsicherheit aufgrund zufälliger Einflüsse Systematische Messabweichung e s Bekannte systematische Messabweichung e sb Unbekannte systematische Messabweichung e s u Messunsicherheit aufgrund unbekannter systematischer Abweichungen Ermittlung der gesamten Messunsicherheit Grafische Erläuterung der Zusammenhänge Angabe des vollständigen Messergebnisses Beispiel Zufällige Messabweichungen Bekannte systematische Messabweichung (Korrektion) Unbekannte systematische Abweichungen Berechnung und Angabe des vollständigen Messergebnisses Literaturverzeichnis 245 Index 251