Versuchsanleitung: Trägerfrequenzsensoren & Digitaloszilloskop

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1 Laborversuch Grundlagen der physikalischen Messtechnik: Digitaloszilloskop 1 Versuchsanleitung: Trägerfrequenzsensoren & Digitaloszilloskop Viele hochwertige industrielle Sensoren, insbesondere induktive Sensoren arbeiten mit dem Trägerfrequenzverfahren. Das Trägerfrequenzverfahren war in den Kinderjahren der Elektronik ein recht aufwendiges und deshalb teures Verfahren. Der rasante Fortschritt in der Elektronik macht Halbleiter bei wachsender Komplexität immer billiger, so dass heute das Messverfahren innerhalb eines einzigen (kundenspezifischen) integrierten Schaltkreises (IC) realisiert wird mit entsprechend geringen Kosten. Im ersten Teil des Versuchs werden einige Industriesensoren näher untersucht. Aufgabe 1: Schaltverhalten industrieller Sensoren 1.1 Induktiver Sensor Schaltverhalten Die Handhabung der industriellen Sensoren kann sehr einfach sein. Zu Beginn ist das Verhalten eines induktiven Sensors im quasi-statischen Betrieb zu untersuchen. Der induktive Sensor hat einen Schaltausgang mit (gelber) Kontrollled. Für verschiedene Werkstoffe soll die Schaltschwelle bzw. Schaltabstand des induktiven Näherungssensors ermittelt werden. Dazu schließen sie den Sensor an eine Betriebsspannung von 12V an ein Labornetzteil an. Der rote Stecker ist für die pos. Spannung (+pol), der blaue Stecker für die Masse (- pol) vorgesehen. Das Signal des Schaltausgangs wird am gelben Stecker zum Digitaloszilloskop verlängert und dort gemessen. Ermitteln Sie das Ausgangssignal des Sensors für die Werkstoffe Stahl, Alu und Kunststoff im Abstand 0mm bis 25mm. Notieren Sie die Entfernung besonders sorgfältig im Bereich der Schaltschwelle und prüfen Sie das Umschalten für Annäherung als auch für die Entfernung des Werkstoffes. Induktiver Sensor (ohne Gehäuse)

2 Laborversuch Grundlagen der physikalischen Messtechnik: Digitaloszilloskop Kapazitiver Sensor Der kapazitive Sensor reagiert auf Materialänderungen in seiner Umgebung. Dabei werden die beiden Elektroden A,B in ihrer gegenseitigen Kapazität durch die Umgebung C mitbestimmt. Obgleich das physikalische Messverfahren im Vergleich zur vorigen Aufgabe völlig verschieden ist, gestaltet sich der elektrische Anschluss des Sensors sehr ähnlich. Der Sensor besitzt ebenfalls einen Schaltausgang und am Gehäuse eine (gelbe) Kontrollled. Für verschiedene Werkstoffe soll die Schaltschwelle bzw. Schaltabstand des kapazitiven Näherungssensors ermittelt werden. Dazu schließen sie den Sensor an eine Betriebsspannung von 12V an ein Labornetzteil an. Der rote Stecker ist für die pos. Spannung (+pol), der blaue Stecker für die Masse (-pol) vorgesehen. Das Signal des Schaltausgangs wird am gelben Stecker mit dem Digitaloszilloskop gemessen. Ermitteln sie das Ausgangssignal des Sensors für die Werkstoffe Stahl, Alu und Kunststoff im Abstand 0mm bis 50mm. Notieren Sie besonders sorgfältig im Bereich der Schaltschwelle und prüfen Sie das Umschalten für Annäherung als auch für die Entfernung des Werkstoffes (Ein- & Ausschalten des Sensors). Ermitteln sie auch das Ausgangssignal für das Material Mensch und prüfen sie mir ihrer Hand Funktion und Schaltabstand des Sensors. Kapazitiver Sensor (ohne Gehäuse) A A B C Aufgabe 2: Trägerfrequenz im induktiven Sensor Im induktiven Sensor stammt das Signal von einer Spule, die durch einen Generator mit der Trägerfrequenz gespeist wird. Mit dem Digitaloszilloskop wird zunächst das Signal an der Spule des Sensors untersucht. Verwenden sie die blaue Buchse und verlängern sie deren Signal zum Digitaloszilloskop. Bestimmen Sie Amplitude und Frequenz ohne Werkstoff : Es sei hier Amplitude = 100%. Nähern Sie verschiedene Werkstoffe an und beobachten Sie das Signal (Beobachtung?). Messen sie die Amplitude des Signals unter Annäherung des Werkstoffs Alu und bestimmen sie die Entfernung des Werkstoffs für eine Amplitude von 75%, 50%, 25%, 10%, 5% und 2% (wenn möglich). Versuchen sie die Amplitude auch für den Abstand 0 mm zu messen. Wiederholen sie die Messung für die Werkstoffe Stahl und Kunststoff. Welche Frequenz hat das Signal und wie ändert sich diese?

3 Laborversuch Grundlagen der physikalischen Messtechnik: Digitaloszilloskop 3 Aufgabe 3: Schlaggetriggerte Momentaufnahme und Schlagausbreitung Untersuchung eines Schlages und Bestimmung der Schallgeschwindigkeit mit den digitalen Speicherfunktionen. Ziel: Ein (Hammer)Schlag soll im Augenblick der Schlagauslösung untersucht werden. Der Anschwingvorgang und die Schallausbreitung werden beobachtet, die Schallgeschwindigkeit nebenbei gemessen. Die Funktionen im Digitalspeicher Mode des Oszilloskops werden vertieft. Aufbau: Schließen sie den Amboss (Schlagblock) an Masse (schwarz) und die Spannungsversorgung +5 Volt (Rot) des Netzteils sowie den Kanal 1 des Oszilloskops (Gelb) und dessen Masse (schwarz) an. Den Hammer schließen sie an die blaue Buchse an. Schallmessung: Ausrüstung und Osziaufnahme Oszilloskop Einstellung: Positionieren sie Kanal 1 in der unteren Bildschirmhälfte mit einer Empfindlichkeit 1V/DIV in dem DC Mode. Es empfiehlt sich eine Zeitablenkung von ca. 0,1 bis 0,2Sek/DIV im Speicherbetrieb (Refresh,RFR). Funktionsüberprüfung: Die angezeigte Linie des Oszilloskops sollte auf 0 Volt Spannung liegen (Nulllinie). Bei Berührung des Hammers mit den Schlagblock sollte die Linie auf ca. 5 Volt Spannung wechseln. Ein paar leichte Probeschläge mit den Hammer zeigen das Prinzip. 3.1 Aufnahme des Schlages mit der Single Speicherfunktion Versuchen sie durch Betätigung der single Taste und sofort darauf folgenden Schlag eine Momentaufnahme zu erhalten. Bei Misserfolg können sie im single Modus mit der Taste Reset eine neue Aufnahme erstellen (Reset Taste-sofortiger Schlag). Tragen sie ihrer Erfahrung mit einem Kommentar ins Protokoll ein. 3.2 Aufnahme durch Einstellung des Triggers Wechseln sie in den (normalen) Refresh Mode der Speicherung. Durch wechselndes Berühren Hammer/Schlagblock können sie bestätigen, dass die Anzeige wieder "live" ist. Ändern sie nun den Triggermode von Auto (=AT) auf einen Triggerlevel von ca. 2 Volt bei steigendem Slope. Mit etwas probieren sollten sie es schaffen: bei jedem Berühren Hammer/Schlagblock zeichnet das Oszilloskop eine neue Kurve auf dem Bildschirm. Machen sie anschließend ein paar Aufnahmen von Schlägen. Da die Aufnahme nun durch das Ereignis selbst (Schlag) getriggert wird und nicht von (langsamer Menschen) Hand, kann auch die Zeitaufnahme durch eine schnellere Zeitbasis verbessert werden (z.b. 50, 20msek/DIV). Kommentieren sie ihre Erfahrungen ins Protokoll.

4 Laborversuch Grundlagen der physikalischen Messtechnik: Digitaloszilloskop Ereignis triggert Speicherung Es lassen sich beide vorherige Methoden kombinieren. Ändern sie bloß nichts mehr an der Triggerung. Schalten sie mit der single Taste um zur single Speicherfunktion. Mit der Reset Taste können sie die Aufnahme starten. Ein leichter Schlag triggert die Aufnahme. Weitere Schläge (Trigger) bleiben wirkungslos, da im single Mode die Aufnahme gespeichert bleibt. Für eine neue Aufnahme muss vorher die Reset Taste betätigt werden. Variieren sie nun die Zeitablenkung so, dass sie ein gut sichtbares Bild des Schlag Ablaufs erhalten. Werten sie das Bild im Protokoll aus. Hinweis: Genau dieses Phänomen tritt bei allen mechanischen Schaltern, Relais, Schaltschütze etc. auf. Es wird als Kontaktprellen bezeichnet und führt ggf. auch zur Funkenbildung und zum Verschleiß Ausbreitung der Schlagwelle Um die Ausbreitung des Schlages und den Anschwingvorgang zu analysieren sind Beschleunigungsaufnehmer, Vibrationssensoren oder Mess-Mikrofone quantitative Instrumente. Viele dieser industriellen Sensoren enthalten piezoresistive oder Piezo-Quarz Elemente als Sensorelement. Im Labor ist als qualitativer Nachweis ein Piezo-Hochton-Lautsprecher unschlagbar billig. Der Piezo-Quarz des U.: Schlag, O.: Schallausbreitung Lautsprechers wandelt normalerweise elektrische Signale (Hifi-Verstärker) in Schall. Aber das umgekehrte Prinzip geht genausogut. Er wandelt mechanische Schwingungen (Schall) auch in elektrische Signale, welche sogar recht groß sind und keiner weiteren Verstärkung bedürfen. Anschluss des Piezo-Quarz: Schließen sie den Piezo-Quarz Lautsprecher an Kanal 2 (CH II) und an Masse an. Plazieren sie den Lautsprecher nahe (0,3 bis 0,5m) am Schlagblock, merken sie sich die Triggerstellung (Papiernotiz) und gehen sie im Triggermode auf Auto (=AT). Die single Speicherung schalten sie aus, so dass der Bildschirm wieder Kurven zeigt (Refresh). Schalten sie den Dual Betrieb ein. Verschieben sie die Kurve des 2. Kanals (CH II) in die obere Bildschirmhälfte. Wenn sie in den (Hochton) Lautsprecher hohe Töne (zwischen, ssss...) sprechen, sollten sie ein Signal sehen, gegebenenfalls muss die Empfindlichkeit Volt/DIV angepasst werden. Danach setzen sie den Trigger wieder auf die vorherige Stellung, ggf. auch wieder single Speicherung. Erzeugen sie mehrere Schläge, sie sollten wieder die Signale aus vorheriger Teilaufgabe reproduzieren. Zusätzlich wird mit einer Verzögerung von 1 bis 2 msek das Schlaggeräusch mit dem Piezo messbar. Optimieren sie die Zeitbasis und die Empfindlichkeit (Ch II) für den Piezo so, dass die Verzögerungszeit bis zum Anschwingen gut sichtbar wird. Können sie den Anschwingvorgang erkennen? Messen sie mit dem Maßband die Distanz Schlagblock-Lautsprecher (Anschlüsse hinten, nicht Schallöffnung vorne) und die mit dem Oszilloskop ermittelte Verzögerungszeit bzw. Signallaufzeit. Eintrag der Ergebnisse ins Protokoll. Wiederholen sie die Messung für einen großen Abstand (1,5 bis 2 m).

5 Laborversuch Grundlagen der physikalischen Messtechnik: Digitaloszilloskop Dokumentation Es bieten sich drei Möglichkeiten zur Dokumentation obiger Messung. 1. Eine Fotografie des Bildschirms (ist wegen fehlender Kamera leider nicht durchführbar). 2. Eine Handskizze mit den Maßstäben (Skalen) und den wesentlichen Signalzeitpunkten geht am schnellsten, ist jedoch ungenau. 3. Ein Überspielen der Daten an einen PC ist möglich. Dort kann die Grafik gespeichert und in anderen Programmen weiterverarbeitet und genutzt werden. Falls die PCs und Programme operabel sind, starten sie dort das Oszilloskop Programm. Stellen sie sicher, dass mit der Umschaltbox der PC überhaupt an IHREN Messplatz angeschlossen ist. Mit dem PC Programm können sie das Oszilloskop fernbedienen, die Daten auslesen und als Graphik abspeichern. 3.6 Fortgeschrittenes: Wiederholen sie die Messung aus Aufg. 3.4 mit einen Edelstahlrohr. Schließen sie dazu das Edelstahlrohr anstatt des Schlagblocks an und setzen sie den Piezo direkt mit der Schallöffnung auf das Rohr auf. Der Anschwingvorgang aufgrund des Schlages kann hier besonders gut verfolgt werden. Aufgrund der hohen Schallgeschwindigkeit im Stahl muss gegebenenfalls die Zeitablenkung Sek/DIV verkleinert werden 4. Fertig! Die Ausarbeitung erfolgt zu Hause und ist spätestens in 2 Wochen d.h. in der Regel zum nächsten Labortermin abzugeben.