Sensoren für Abstand und Weg Arbeitsbuch FP 1120 Festo Didactic 090155 de
Best.-Nr.: 090155 Benennung: ARBEITSBUCH Bezeichnung: D:LW-FP1120-DE Stand: 01/2004 Autoren: H. Dahlhoff, K. Rupp, R. Schulé, H. Werner, S. Nestel, R Ackermann Grafik: A. Reulecke, OCKER Ingenieurbüro Layout: 12.01.2004, B. Huber, OCKER Ingenieurbüro Festo Didactic GmbH & Co. KG, D-73770 Denkendorf, 2004 Internet: www.festo.com/didactic e-mail: did@festo.com Weitergabe sowie Vervielfältigung dieses Dokuments, Verwertung und Mitteilung seines Inhalts verboten, soweit nicht ausdrücklich gestattet. Zuwiderhandlungen verpflichten zu Schadenersatz. Alle Rechte vorbehalten, insbesondere das Recht, Patent-, Gebrauchsmuster- oder Geschmacksmusteranmeldungen durchzuführen.
Inhalt Konzeption des Arbeitsbuches 6 Was sind Sensoren? 7 Benutzerhinweise 17 Gerätesatz 19 Elemente-Aufgaben-Matrix 21 Teil A Aufgaben Abstandsmessung mit induktiven Sensoren Aufgabe 1 Bestimmung der Kennlinie eines induktiven Analogsensors A-3 Aufgabe 2 Einfluss der Materialabhängigkeit und der Größe des Messobjektes auf das Ausgangssignal eines induktiven Analogsensors A-13 Aufgabe 3 Messung der Durchbiegung von Flachmaterial A-25 Aufgabe 4 Bestimmung der Unwucht einer rotierenden Scheibe A-35 Wegmessung mit Linearpotentiometer Aufgabe 5 Positionserfassung an einer Schlitteneinheit mit einem Linearpotentiometer A-49 Wegmessung mit Ultraschallsensor Aufgabe 6 Positionserfassung an einer Schlitteneinheit mit einem Ultraschallsensor A-61 Abstandsmessung mit optischen Sensoren Aufgabe 7 Messung der Kennlinie eines optischen Analog-Reflextasters A-73 Aufgabe 8 Materialdickenmessung mit einem optischen Analog-Reflextaster A-83 Aufgabe 9 Bestimmung der Materialabhängigkeit bei der Abstandsmessung mit einem optischen Analog-Reflextaster A-93 Festo Didactic GmbH & Co. KG FP 1120 3
Inhalt Teil B Grundlagen 1. Induktive Abstandssensoren B-3 1.1 Grundlagen induktiver Sensoren B-3 1.2 Messbereich und Leitfähigkeit B-8 2. Linearpotentiometer B-11 2.1 Funktionsweise B-11 2.2 Spannungsmessung B-13 2.3 Leitplastikpotentiometer B-15 2.4 Anwendung B-20 3. Ultraschallsensoren B-21 3.1 Schallausbreitung B-21 3.2 Ultraschallsender B-24 3.3 Ultraschallempfänger B-26 3.4 Bauformen B-32 3.5 Anwendungen B-34 4. Optische Sensoren B-39 4.1 Fotoelektrische Bauelemente B-39 4.2 Analog-Reflextaster B-48 4.3 Anwendungen B-50 5. Kapazitiv inkrementale Wegmessung B-53 5.1 Messverfahren B-53 Teil C Lösungen Abstandsmessung mit induktiven Sensoren Lösung 1 Bestimmung der Kennlinie eines induktiven Analogsensors C-3 Lösung 2 Einfluss der Materialabhängigkeit und der Größe des Messobjektes auf das Ausgangssignal eines induktiven Analogsensors C-7 Lösung 3 Messung der Durchbiegung von Flachmaterial C-11 Lösung 4 Bestimmung der Unwucht einer rotierenden Scheibe C-13 4 Festo Didactic GmbH & Co. KG FP 1120
Inhalt Wegmessung mit Linearpotentiometer Lösung 5 Positionserfassung an einer Schlitteneinheit mit einem Linearpotentiometer C-17 Wegmessung mit Ultraschallsensor Lösung 6 Positionserfassung an einer Schlitteneinheit mit einem Ultraschallsensor C-19 Abstandsmessung mit optischen Sensoren Lösung 7 Messung der Kennlinie eines optischen Analog-Reflextasters C-25 Lösung 8 Materialdickenmessung mit einem optischen Analog-Reflextasters C-29 Lösung 9 Bestimmung der Materialabhängigkeit bei der Abstandsmessung mit einem optischen Analog-Reflextaster C-33 Teil D Datenblätter Verschiebeschlitten 034094 Schlitteneinheit Kugelspindel 080824 Getriebemotor 080828 Anbaumessschieber 150536 Signalumschalter 150538 Anschlusseinheit, analog 162247 Motorsteuerung 162249 Analog-Abstandssensor, optisch 167051 Linearpotentiometer 177465 Analog-Ultraschall-Abstandssensor 177469 Analog-Abstandssensor, induktiv 184117 Näherungsschalter, kontaktlos, induktiv-magnetisch 184130 Festo Didactic GmbH & Co. KG FP 1120 5
Konzeption des Arbeitsbuches Das Arbeitsbuch D:LW-FP1120-DE (Best.-Nr. 090155) wurde für den Gerätesatz des Funktionspaketes FP 1120 (Best.-Nr. 184475) konzipiert. Das Arbeitsbuch und der Gerätesatz sind Bestandteile des Lernsystems Automatisierung und Technik der Firma Festo Didactic GmbH & Co. KG. Das Buch ist sowohl für den Seminarunterricht als auch für das Selbststudium konzipiert. Das Buch ist gegliedert in: Teil A Kurs Teil B Grundlagen Teil C Lösung Teil D Anhang Teil A Teil B Teil C Teil D Der Kurs vermittelt die notwendigen Kenntnisse über das Thema anhand von ausgewählten Aufgabenstellungen. Die Themen sind inhaltlich aufeinander abgestimmt. Die Übungen bauen aufeinander auf, sind aber voneinander unabhängig. Mit Hilfe von Verweisen wird auf weiterführende und vertiefende Inhalte sowohl im Grundlagenteil als auch in der Datenblattsammlung aufmerksam gemacht. Dieser Teil enthält die theoretischen Grundlagen zum Fachgebiet. Die Themen sind nach Sachgebieten geordnet. Der Grundlagenteil kann kapitelweise durchgearbeitet oder als Nachschlagewerk benutzt werden. In diesem Teil sind die Lösungen zu den Aufgaben im Kursteil zusammengestellt. Am Schluss des Buches befindet sich eine Datenblattsammlung des Gerätesatzes. Das Buch kann in ein bestehendes Ausbildungsprogramm eingegliedert werden. 6 Festo Didactic GmbH & Co. KG FP 1120
Was sind Sensoren? 1. Sensoren und Sinnesorgane Ein Sensor ist ein technischer Wandler, der eine physikalische Größe, z. B. Temperatur, Abstand oder Druck in eine andere, besser auswertbare Größe umsetzt. Dies ist meist ein elektrisches Signal, z. B. Spannung, Strom, Widerstand oder Schwingungsfrequenz. Andere Bezeichnungen für Sensoren sind Messwertaufnehmer, Messfühler, Messwandler, Detektor oder Transducer. Sensor Das Wort Sensor leitet sich vom lateinischen sensus, zu deutsch Gefühl, Empfindung, ab. Allerdings heißt es im Englischen ebenfalls sensor und der deutsche Begriff Messwertaufnehmer wurde in dem Maße zurückgedrängt, wie die Halbleitertechnik und die Messdatenerfassung mit ihren englischsprachigen Begriffen an Bedeutung gewann. Zum einen beruht die Leistungsfähigkeit vieler Sensoren auf den technischen Entwicklungen der Halbleitertechnik und zum andern werden die Sensoren überwiegend eingesetzt in der Messdatenerfassung. Sensoren sind in etwa mit den Rezeptoren der Sinnesorgane zu vergleichen; auch diese bewirken eine Umwandlung einer physikalischen Größe, z. B. Licht, Wärme oder Schalldruck, in einen neuro-physiologischen Reiz. Fotowiderstand Stäbchen Bild 1: Gegenüberstellung von Sensor und Rezeptor Stäbchen sind Rezeptoren in der Netzhaut des Auges der Wirbeltiere und vermitteln die Schwarzweißempfindung. Die Leistungsfähigkeit von Sensoren und Rezeptoren für vergleichbare Messaufgaben oder Sinneseindrücke ist beträchtlich verschieden. So erfassen unsere Sinnesorgane die meisten Größen nur näherungsweise, und sind daher für Messungen von Absolutwerten ungeeignet. Festo Didactic GmbH & Co. KG FP 1120 7
Was sind Sensoren? Sinnesorgane Die Leistungsfähigkeit der Sinnesorgane liegt dagegen in der Bündelung der Funktionen mehrerer Rezeptoren, sowie der teilweisen Verarbeitung und Bewertung des Signals. So besteht die Leistungsfähigkeit des menschlichen Auges aus dem Linsensystem, der Irisblende, der Netzhaut mit den ca. 120 Millionen lichtempfindlichen Stäbchen und den ca. 6 Millionen farbempfindlichen Zäpfchen sowie diversen Muskeln zur Fokussierung der Lichtstrahlen und der Bewegung der Irisblende. Teilweise findet also schon eine erste Bildverarbeitung in den Nervenzellen der Netzhaut statt, z. B. die Analyse von Kanten oder Bewegungsvorgängen. Im Gehirn findet anschließend eine Bildverarbeitung auf höherer Ebene statt. Hierzu gehört die automatische Fokus- und Blendensteuerung, die Tiefenwahrnehmung durch Überlagerung der Bilder der beiden Augen, die Kompensation der Eigenbewegung des Auges und aller sonstigen Körperbewegungen. All dies läuft noch vor dem eigentlichen bewussten Sehen ab. CCD-Kamera Auge Bild 2: Gegenüberstellung von Sensorsystem und Sinnesorgan 8 Festo Didactic GmbH & Co. KG FP 1120
Was sind Sensoren? Sensorsysteme Die Technik befindet sich auch hier auf dem Weg, diese Spitzenleistungen der Natur zu kopieren. Zeilen- oder matrixförmige Anordnungen vieler gleichartiger Sensoren wie bei den CCD-Chips werden als Sensorsysteme bezeichnet. CCD ist eine Abkürzung für Charge Coupled Device und bezeichnet den Aufbau eines CCD-Chips aus ladungsgekoppelten Halbleitern. Das Funktionsprinzip eines CCD-Chips beruht darauf, dass die durch den fotoelektrischen Effekt im Halbleiter entstandene elektrische Ladung in einen angekoppelten Speicher übertragen wird, der mit einer bestimmten Taktfrequenz abgefragt werden kann. Auch Sensoren mit der Signalaufbereitung auf dem gleichen Halbleiterchip, der zugleich den Sensor enthält, werden als Sensorsystem bezeichnet. Allerdings erreichen die Sensorsysteme bei weitem noch nicht die Komplexität und die Leistungsfähigkeit der Sinnesorgane. Smart Sensor Über die Einbeziehung von Verstärkern hinaus versucht man auch Rechenleistung in den Sensor zu integrieren. Dies stellt einen interessanten Trend dar, denn er kommt der verteilten Verarbeitung der Daten und damit einem besseren Datendurchsatz entgegen. Ein solches Sensorsystem, im Englischen wie auch im Deutschen als smart sensor bezeichnet, gestattet schon eher die Gleichsetzung mit einem Sinnesorgan. Mikromechanik Bei den Entwicklungen der Mikromechanik werden auch mechanische Komponenten des Sensors im Silizium-Chip integriert. In erster Linie handelt es sich dabei um Membranen, Feder- oder Schwingungskörper, die aus dem Silizium herausgeätzt werden. In Forschungslabors wurden auch schon Dreh- und Schiebeverbindungen realisiert, so dass der Aufbau miniaturisierter mechanischer Apparate schon vorbereitet ist. Die guten mechanischen Eigenschaften von Silizium, insbesondere seine hohe Elastizität, treffen in der Mikromechanik vorteilhaft mit den besonderen elektrischen Eigenschaften des Siliziums zusammen. Biologische Sensoren Ein weiterer interessanter Trend ist die Entwicklung von sogenannten biologischen Sensoren. Sie bestehen aus einem biologisch aktiven Teil, z.b. Enzymen oder Bakterien, und einem mikroelektronischen Teil, der die biologischen Reaktionen registriert und weiterverarbeitet. Die ersten verfügbaren biologischen Sensoren dienen insbesondere zur Analyse organischer Substanzen, z.b. der Bestimmung des Blutzuckerwerts. Die weitere Entwicklung der biologischen Sensoren ist jedoch noch nicht abzusehen. Festo Didactic GmbH & Co. KG FP 1120 9
Was sind Sensoren? 2. Einsatz von Sensoren Sensoren werden auf vielen Gebieten der Wissenschaft und Technik eingesetzt. In der Forschung werden hochempfindliche und spezialisierte Sensoren für die Durchführung von Experimenten verwendet. In der Automatisierungstechnik finden sowohl standardisierte als auch speziell entwickelte Sensoren ihre Anwendung. In den Geräten des täglichen Bedarfs werden eher einfache Sensoren verwendet, die jedoch wartungsfrei und zuverlässig funktionieren müssen. Gegenstand der Betrachtung in diesem Arbeitsbuch ist in erster Linie der Einsatz von Sensoren in der Automatisierungstechnik. Dieser basiert auf übergeordneten Forderungen wie: Kostenreduktion Rationalisierung Automatisierung Flexibilisierung Umweltschutz Der Einsatz von Sensoren begründet sich aber auch auf den der Technik innewohnenden Entwicklungen wie: Steigerung von Empfindlichkeit, Präzision, Ansprechgeschwindigkeit und Verlässlichkeit, Anpassung an konstruktive und technologische Weiterentwicklungen, neuen Technologien. Sensoren finden also ihre Anwendung in der Automatisierungstechnik, da sie: das Fehlverhalten von automatisierten Anlagen, z. B. Werkzeugbruch oder Stau, frühzeitig und lückenlos melden, im Rahmen einer intelligenten Fehlerdiagnose die Fehlerquelle einkreisen oder lokalisieren, Werkzeugverschleiß erkennen, die Messwerte zur Verfügung stellen, die zur kontinuierlichen Optimierung des Produktionsablaufs durch adaptive Steuerung und Regelung notwendig sind, in der automatisierten Qualitätsprüfung eingesetzt werden, die Materialwirtschaft überwachen und deren Abläufe automatisieren helfen, die Produktidentifikation durchführen, die bei einer flexiblen Automatisierung notwendig ist, Gefahren am Arbeitsplatz melden, z. B. zu hohe Schadstoffkonzentrationen, Arbeitsvorgänge humanisieren helfen, z. B. bei anstrengender und monotoner Sichtprüfung, bei Überwachungs- und Messaufgaben in gesundheitsgefährdender Umgebung. 10 Festo Didactic GmbH & Co. KG FP 1120
Was sind Sensoren? Sensoren sind integraler Bestandteil komplexer Maschinen. Insbesondere die weitere Entwicklung von Robotern wird auf dem Einsatz von Sensoren basieren. Schließlich wäre auch das CIM-Konzept (CIM = Computer Integrated Manufacturing) mit all seinen technischen, organisatorischen und sozialen Strukturen nicht ohne die Bausteine Sensoren realisierbar. Bild 3: Ein Sensor überwacht die Bestückung einer Platine Festo Didactic GmbH & Co. KG FP 1120 11
Was sind Sensoren? 3. Klassifikation der Sensoren Die Klassifikation des weiten Gebiets der Sensoren erfolgt in erster Linie nach der zu erfassenden physikalischen Größe, und erst in zweiter Linie nach dem Funktionsprinzip oder dem Anwendungsfall. Sensoren für geometrische Größen für kraftbezogene Größen für Materieumsatzgrößen Position, Abstand, Länge, Weg, Dehnung, Neigung, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Drehwinkel, Rotation sowie Oberflächeneigenschaften von Werkstücken Kraft, Gewicht, Druck, Drehmoment und mechanische Leistung Durchflussmengen und Füllstand gasförmiger, flüssiger und fester Stoffe für Temperatur und Wärmemenge für Größen der optischen Strahlung für Eigenschaften akustischer Wellen für elektromagnetische Größen für energiereiche Strahlung für chemische Stoffe für physikalische Materieeigenschaften zur Objektidentifikation und Merkmalserkennung Strahlungsleistung, Strahlungsenergie, Strahlstärke, Strahldichte, und lichttechnische Größen wie Lichtstrom, Lichtmenge, Lichtstärke, Leuchtdichte, Beleuchtungsstärke. Darüber hinaus sind in dieser Rubrik auch alle bildverarbeitenden Systeme aufzuzählen, sofern sie Messzwecken dienen Schalldruck, Schallenergie, Lautstärke und Tonfrequenz Weithin bekannt sind die elementaren elektrischen Größen wie Spannung, Strom, elektrische Energie und Leistung. Darunter fallen aber auch die elektrische und magnetische Feldstärke und die elektromagnetische Strahlung. Letztere wird von der zuvor erwähnten optischen Strahlung willkürlich abgegrenzt durch die Wellenlängenbedingung λ > 10-3 m. Röntgenstrahlung, Gammastrahlung. Die energiereiche Strahlung wird von der optischen Strahlung willkürlich abgegrenzt durch die Wellenlängenbedingung λ < 10-10 m. Sensoren für Teilchenstrahlung, wie Elektronen, Alphateilchen, Elementarteilchen und Kernbruchstücke Gase, Ionen, insbesondere aber auch Wasser in der Form von Feuchte-, Taupunkt- und Vereisungssensoren mechanische, elektrische, optische, thermische und akustische Eigenschaften In diese Rubrik fallen meist Sensorsysteme wie Klarschriftleser, Strichcodeleser, Magnetstreifenleser und Bildverarbeitungssysteme, die auch unter einer der vorangegangenen Klassifikationen hätten aufgenommen werden können, aber aufgrund ihres spezialisierten Anwendungsfeldes eine eigene Gruppe bilden 12 Festo Didactic GmbH & Co. KG FP 1120
Was sind Sensoren? 4. Signale der Sensoren Sensoren wandeln eine physikalische Größe meist in ein elektrisches Signal um. Die Sensoren können nach der Art des Ausgangssignals in binäre Sensoren, auch Schalter genannt, und analoge Sensoren unterschieden werden. Binäre Sensoren Binäre Sensoren erzeugen nur zwei Ausgangssignale, die Schaltzustände "Ein" und "Aus". Das Umschalten von einem zum anderen Schaltzustand erfolgt bei einem ganz bestimmten Wert der physikalischen Größe; dieser Schaltpunkt ist oft auch einstellbar. Häufig unterscheidet sich der Schaltpunkt bei steigendem Werteverlauf von jenem bei fallendem Werteverlauf. Der Unterschied zwischen den beiden Schaltpunkten oder auch Schwellwerten wird Hysterese genannt. Die Hysterese kann in manchen Anwendungen durchaus erwünscht sein. So reduziert sie bei Regelungen die Schalthäufigkeit und führt zu verbesserter Stabilität des Systems. Analoge Sensoren Analoge Sensoren erzeugen bei kontinuierlicher Änderung der physikalischen Größe ein ebenfalls sich kontinuierlich änderndes elektrisches Signal. Dieser Zusammenhang muss nicht notwendigerweise linear sein, lässt aber im Gegensatz zu den binären Sensoren immer den Schluss auf den aktuellen Wert der physikalischen Größe zu. Analoge Sensoren bieten also "mehr" Information als binäre Sensoren; dafür ist die Verarbeitung des Signals meist aufwendiger. Festo Didactic GmbH & Co. KG FP 1120 13
Was sind Sensoren? Weg/Abstand s t Linearpotentiometer Näherungsschalter U, I Analoges Sensorsignal Schaltsignal 1 t 0 t Bild 4: Analoge und binäre Signale Dieses Bild zeigt den Zusammenhang zwischen einem Weg und den daraus abgeleiteten Signalen eines analogen und eines binären Sensors. In der Automatisierungstechnik werden analoge Sensoren verwendet, wenn die graduelle Änderung des Werts von Bedeutung ist. Binäre Sensoren werden dagegen häufig als Grenzwert- oder Alarmschalter eingesetzt. 14 Festo Didactic GmbH & Co. KG FP 1120
Was sind Sensoren? 5. Informationsfluss in der Automatisierungstechnik Messtechnik Im Versuchslabor, der Qualitätssicherung oder der Prozessüberwachung liefern Sensoren Informationen über einen technischen Fertigungsschritt oder eine physikalische oder chemische Reaktion. Diese Abläufe werden als Prozess bezeichnet. Die Informationen werden dem Betrachter per Anzeigeinstrument angezeigt oder einem Datenaufzeichnungsgerät, z. B. einem Computer, eingespeist. In diesem Zusammenhang sollen sowohl der menschliche Betrachter als auch das Datenaufzeichnungsgerät als informationsverarbeitende Systeme angesehen werden. Für diese Systeme wird der kurze Begriff Prozessorik benutzt. Die Information fließt somit in der Messtechnik vom Prozess über den Sensor oder allgemeiner von der Sensorik zur Prozessorik. Hilfsenergie Prozess Sensorik Signalverarbeitung Prozessorik Bild 5: Informationsfluss in der Messtechnik Steuerungstechnik In der Steuerungstechnik liegt der umgekehrte Informationsfluss vor. Der Bediener oder eine Prozessorik greift mit Hilfe von Aktuatoren in den Prozess ein. Die Information fließt von der Prozessorik über die Aktuatorik zum Prozess. Hilfsenergie Prozessorik Ausgabeeinheit Aktuatorik Prozess Bild 6: Informationsfluss in der Steuerungstechnik Festo Didactic GmbH & Co. KG FP 1120 15
Was sind Sensoren? Automatisierungstechnik In der Automatisierungstechnik treten beide Arten von Informationsflüssen auf. Der geschlossene Informationskreislauf ähnelt der Regelungstechnik von der Prozessorik zum Prozess und wieder zurück zur Prozessorik, legt jedoch den Schwerpunkt auf die Techniken der Übertragung und Verarbeitung von Informationen. Regelkreise können Bestandteil eines Automatisierungssystems sein. Stellenenergie Prozessenergie Hilfsenergie Aktuatorik Prozess Sensorik Ausgabeeinheit Prozessorik Signalverarbeitung Bild 7: Informationsfluss in der Automatisierungstechnik 16 Festo Didactic GmbH & Co. KG FP 1120
Benutzerhinweise FP 1120 Das zentrale Thema des Funktionspaketes FP 1120 sind Sensoren für Abstand und Weg. Der Aufbau der Geräte erfolgt auf einer Aluminium-Profilplatte. Ein großer Teil der Geräte kann auch auf Schlitzmontageplatten von Festo Didactic aufgebaut werden. Die Messungen lassen sich mit einem Digitalmultimeter durchführen. Zur graphischen Darstellung der Ergebnisse der einzelnen Aufgaben ist die Verwendung von Millimeterpapier empfehlenswert. Es werden praktische und theoretische Kenntnisse über induktive, potentiometrische, optische und Ultraschall-Analogsensoren vermittelt. Die Sensoreigenschaften lassen sich experimentell bestimmen, z. B. Genauigkeit, Auflösung, Linearität und Hysterese. Arbeitshinweis Neben den allgemeinen Sicherheitshinweisen sollten folgende Arbeitshinweise beachtet werden: Vor dem Beginn der Messungen Spannungsversorgung abschalten Elektrischen Schaltungsaufbau durchführen. Dabei auf die Polarität der anzulegenden Spannungen achten Schaltungsaufbau anhand des Schaltplanes überprüfen Stromversorgung mit einer geregelten Spannung von 24 V DC/4,5 A einschalten. Nach Beendigung der Messungen Stromversorgung ausschalten Messleitungen abnehmen Festo Didactic GmbH & Co. KG FP 1120 17
Benutzerhinweise Signalumschalter Best.-Nr. 150538 Die Spannungssignale werden über den Signalumschalter auf den Ausgang 0 (Output 0), und die Stromsignale werden auf den Ausgang 1 (Output 1) geschaltet. Der Signalumschalter schaltet pro Schaltstellung das Signal beider Eingangs- Buchsen auf die jeweilige Ausgangs-Buchse. INPUT - 10 V + 10 V INPUT 0-20 ma Signalumschalter OUTPUT Bild 8: Prinzip der Verschaltung des Signalumschalters und der Anschlusseinheit 18 Festo Didactic GmbH & Co. KG FP 1120
Gerätesatz Gerätesatz FP 1120 Best.-Nr. 184475 Menge Best.-Nr. Komponenten 1 019500 Zwischenplatte 1 019505 Adapter zur Höheneinstellung 1 034009 Gewichtesatz 1 034070 Reflektorsatz 1 034083 Objektsortiment 1 034094 Verschiebeschlitten* 1 036279 Biegebalken 1 080824 Schlitteneinheit, Kugelspindel 1 080828 Getriebemotor 1 109383 Montageprofil, Länge 318 mm 1 115615 Montageprofil, Länge 168 mm (C/E) 1 115616 Montageprofil, Länge 168 mm (B/C) 1 150519 Adapter für Profilplatte 1 150536 Anbaumessschieber 1 150538 Signalumschalter 1 150539 Montagesatz für Dreheinheit 1 150540 Anbausatz für Anbaumessschieber 1 162247 Anschlusseinheit, analog* 1 162249 Motorsteuerung* 1 167051 Analog-Abstandssensor, optisch 1 177465 Linearpotentiometer 1 177469 Analog-Ultraschall-Abstandssensor 1 184117 Analog-Abstandssensor, induktiv 2 184130 Näherungsschalter, kontaktlos, induktiv-magnetisch 12 323571 Steckadapter * Zur Montage der gekennzeichneten Einheiten auf der Profilplatte werden je 4 Steckadapter Best.-Nr. 323571 benötigt. Festo Didactic GmbH & Co. KG FP 1120 19
Gerätesatz Auf den Gerätesatz sind folgende Elemente abgestimmt: Zubehör Menge Best.-Nr. Komponenten 1 035653 Messschieber 1 035681 Digitalmultimeter Einrichtungen Menge Best.-Nr. Komponenten 1 159411 Profilplatte, groß, 1100 mm x 700 mm oder 1 159409 Profilplatte, klein, 550 mm x 700 mm oder 1 159410 Profilplatte, quadratisch 700 mm x 700 mm oder 1 159331 Schlitzmontageplatte, 297 mm x 532 mm** Versorgungsgeräte Menge Best.-Nr. Komponenten 1 164417 Netzgerät Tischversion Deutschland, Österreich u. a. oder 1 162381 Netzgerät Tischversion Schweiz 1 159396 Netzgerät für ER-Aufnahmerahmen, Version Deutschland, Österreich u. a. oder 1 162414 Netzgerät für ER-Aufnahmerahmen, Version Schweiz 1 167091 Kabelsatz ** Die Schlitzmontageplatte eignet sich für den Aufbau der Geräte zu den Aufgaben 1, 2, 4, 5, 7, 8, 9. U. u. sind dafür zwei Platten erforderlich. Für die Durchführung der Aufgaben 3 und 6 empfiehlt sich die Verwendung einer Profilplatte. 20 Festo Didactic GmbH & Co. KG FP 1120
Elemente-Aufgaben-Matrix Best.-Nr. Komponenten Aufgabe 1 2 3 4 5 6 7 8 9 019500 Zwischenplatte 1 019505 Adapter zur Höheneinstellung 1 1 034009 Gewichtesatz 1 034070 Reflektorsatz 1 034083 Objektsortiment 1 1 1 1 1 034094 Verschiebeschlitten 1 1 1 1 1 1 1 036279 Biegebalken 1 080824 Schlitteneinheit, Kugelspindel 1 1 080828 Getriebemotor 1 1 1 109383 Montageprofil, Länge 318 mm 1 1 115615 Montageprofil, Länge 168 mm 1 115616 Montageprofil, Länge 168 mm 1 1 150519 Adapter für Profilplatte 1 1 150536 Anbaumessschieber 1 1 150538 Signalumschalter 1 1 1 1 1 1 1 1 1 150539 Montagesatz für Dreheinheit 1 150540 Anbausatz für Anbaumessschieber 1 1 162247 Anschlusseinheit, analog 1 1 1 1 1 1 1 1 1 162249 Motorsteuerung 1 1 1 167051 Analog-Abstandssensor, optisch 1 1 1 177465 Linearpotentiometer 1 177469 Analog-Ultraschall-Abstandssensor 1 184117 Analog-Abstandssensor, induktiv 1 1 1 1 184130 Näherungsschalter, kontaktlos, induktivmagnetisch 2 2 323571 Steckadapter 1 1 1 1 1 1 1 1 1 035653 Messschieber 1 1 1 1 1 1 1 035681 Digitalmultimeter 1 1 1 1 1 1 1 1 1 diverse Profilplatte, groß oder klein 1 1 1 1 1 1 1 1 1 diverse Netzgeräte 1 1 1 1 1 1 1 1 1 167091 Kabelsatz 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Festo Didactic GmbH & Co. KG FP 1120 21
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Teil A Aufgaben Abstandsmessung mit induktiven Sensoren Aufgabe 1 Bestimmung der Kennlinie eines induktiven Analogsensors A-3 Aufgabe 2 Einfluss der Materialabhängigkeit und der Größe des Messobjektes auf das Ausgangssignal eines induktiven Analogsensors A-13 Aufgabe 3 Messung der Durchbiegung von Flachmaterial A-25 Aufgabe 4 Bestimmung der Unwucht einer rotierenden Scheibe A-35 Wegmessung mit Linearpotentiometer Aufgabe 5 Positionserfassung an einer Schlitteneinheit mit einem Linearpotentiometer A-49 Wegmessung mit Ultraschallsensor Aufgabe 6 Positionserfassung an einer Schlitteneinheit mit einem Ultraschallsensor A-61 Abstandsmessung mit optischen Sensoren Aufgabe 7 Messung der Kennlinie eines optischen Analog-Reflextasters A-73 Aufgabe 8 Materialdickenmessung mit einem optischen Analog-Reflextaster A-83 Aufgabe 9 Bestimmung der Materialabhängigkeit bei der Abstandsmessung mit einem optischen Analog-Reflextaster A-93 Festo Didactic GmbH & Co. KG FP 1120 A-1
Teil A Aufgaben A-2 Festo Didactic GmbH & Co. KG FP 1120
Abstandsmessung mit induktiven Sensoren Aufgabe 1 Bestimmung der Kennlinie eines induktiven Analogsensors Lerninhalte Das Ansprechverhalten eines induktiven Analogsensors kennen lernen Die Kennlinie des induktiven Analogsensors ermitteln Die Empfindlichkeit des induktiven Analogsensors bestimmen Die Reproduzierbarkeit, die Linearität und den Hysteresefehler der Messungen beurteilen Fachwissen Induktive Analogsensoren enthalten eine Oszillatorschaltung, die aus einem Parallelresonanzkreis mit einer Spule (Induktivität) und einem Kondensator (Kapazität) sowie einem Verstärker besteht. Durch einen Ferritschalenkern der Spule wird das elektromagnetische Feld nach außen gerichtet. Wird in den Bereich des elektromagnetischen Streufeldes ein elektrisch leitfähiges Material gebracht, so entstehen nach dem Induktionsgesetz Wirbelströme in dem Material, die die Oszillatorschwingung dämpfen. Abhängig von der Leitfähigkeit, den Abmessungen und der Nähe des leitenden Gegenstandes wird der Oszillator verschieden stark gedämpft. Die Dämpfung des Oszillators wird in einer nachfolgenden Elektronik ausgewertet und liefert ein Ausgangssignal, das in einem bestimmten Messbereich proportional zum Abstand zwischen dem Sensor und dem Material ist. 6 7 8 G 9 1 2 3 4 5 1 Oszillator 6 Externe Spannung 2 Demodulator 7 Interne Konstantspannungsquelle 3 Verstärker 8 Spule mit aktiver Zone 4 Linearisierung 9 Ausgang: Strom- oder Spannungssignal 5 Messwandler Bild 1/1: Blockschaltbild des induktiven Analogsensors Festo Didactic GmbH & Co. KG FP 1120 A-3
Abstandsmessung mit induktiven Sensoren Aufgabe 1 Problembeschreibung Mit einem induktiven Analogsensor soll die Dicke von Stahlscheiben aus S 235 JR vor einer weitergehenden Bearbeitung bestimmt werden. Untersuchen Sie, ob er sich hierfür eignet und welche Genauigkeit bei den Messungen erreicht werden kann, wenn die Scheiben auf einem Messtisch vermessen werden. Die Stahlscheiben liegen auf einer nichtmetallischen Unterlage. Bild 1/2: Dickenmessung Aufgabenstellung Führen Sie die unten aufgeführten Teilaufgaben auf der Profilplatte oder Schlitzmontageplatte durch. Werten Sie die Versuchsergebnisse mit Hilfe der Arbeitsblätter aus. a) Ermitteln Sie die Kennlinie des analogen Sensors (Messreihe 1). b) Führen Sie zwei Wiederholungsmessreihen durch (Messreihe 2 und 3). c) Untersuchen Sie die Hysterese des Sensors (Messreihe 4 und 5). Hinweis Für alle Teilaufgaben kann statt des analogen Stromausgangs auch der analoge Spannungsausgang (schwarzer Anschlussstecker) des induktiven Sensors eingesetzt werden. Wählen Sie den geeigneten Messbereich am Multimeter. Die Tabellen und die Diagramme auf den Arbeitsblättern und den Lösungsblättern sind für den Stromausgang ausgelegt. Sie müssen angepasst werden, wenn der Spannungsausgang benutzt wird. A-4 Festo Didactic GmbH & Co. KG FP 1120
0 10 20 30 40 A µ 10A! A/mA COM!! 400mA 1000V MAX 750V 500 V MAX TTL V Ω Abstandsmessung mit induktiven Sensoren Aufgabe 1 Durchführung Die Positions-Nummer der Elementeliste bezieht sich auf die Aufbauskizze und gilt für alle Teilaufgaben. Gerätesatz Pos. Nr. Menge Komponente 1 1 Anschlusseinheit, analog 2 1 Signalumschalter 3 1 Analog-Abstandssensor, induktiv 4 1 Verschiebeschlitten 1 Objektsortiment, Teil 3: Stahl S 235 JR, 90 mm x 30 mm 8 Adapter Zubehör Pos. Nr. Menge Komponente 5 1 Messschieber 6 1 Digitalmultimeter Zu den erforderlichen Einrichtungen und Versorgungsgeräten siehe Seite 20. 1 2 4 6 5 24 V 24 V INPUT 0 1 2 3 0 V V DC _ + DC DATA HOLD AUTO PEAK HOLD RANGE GND Ω TTL µa INPUT 0 1 2 3 24 V mv V OFF ma A µf nf 0 V GND 0 V OUTPUT 0 V 0 1 + Cx _ 10.55 mm 50 40 30 20 10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 90 90 3 Bild 1/3: Aufbau Festo Didactic GmbH & Co. KG FP 1120 A-5
A 0 10 20 30 40 µ 10A A/mA COM 400mA MAX 500 V MAX! TTL V Ω Abstandsmessung mit induktiven Sensoren Aufgabe 1 6 24 V 2 V DC _ + 24 V 24 V INPUT 0 1 2 3 BK DC DATA HOLD PEAK HOLD AUTO RANGE 0 V Ω mv V OFF TTL µa ma A µf nf Cx 0 INPUT 1 2 3 GND 24 V RD WH! 750V 1000V 0 V GND 0 V OUTPUT 0 V 0 1 BU 0 V 1 3 Bild 1/4: Elektrischer Anschluss Hinweis Der Spannungsausgang der Anschlusseinheit ist die Buchse OUTPUT 0 und der Stromausgang die Buchse OUTPUT 1. Beachten Sie bitte auch die Benutzerhinweise am Anfang des Buches. +24V DC BN BK WH BU ma V 0 V Bild 1/5: Elektrischer Schaltplan A-6 Festo Didactic GmbH & Co. KG FP 1120
Abstandsmessung mit induktiven Sensoren Aufgabe 1 Vorgehensweise Montieren Sie die Mechanik auf die Profilplatte oder Schlitzmontageplatte: Siehe Abbildung Aufbau und Gerätesatz. Zur Montage des Messschiebers wird das Schiebeteil des Verschiebeschlittens auf die Noniusstellung "0" gestellt. Die beiden Messschenkel des Messschiebers werden etwa 10 mm auseinander geschoben. Der Messschieber wird parallel zur Grundplatte bündig mit dem Rand so aufgelegt, dass der feste Messschenkel am Anschlag für den Messschieber anliegt. Das Gehäuse des Messschiebers wird durch die beiden Haltemagnete auf der Grundplatte des Verschiebeschlittens fixiert. Stecken Sie das Messobjekt (Stahlplatte, S 235 JR, 90 mm x 30 mm) in die Materialhalterung des Verschiebeschlittens. Montieren Sie den induktiven Analogsensor 5 cm seitlich versetzt zur Mitte des Verschiebeschlittens. Stellen Sie alle elektrischen Verbindungen her: Siehe Abbildung elektrischer Anschluss und elektrischer Schaltplan. In dieser Aufgabe wird die Anschlusseinheit nur als Steckhilfe eingesetzt. Anschluss des induktiven Sensors: Stecker Anschluss rot (RD) +24 V blau (BU) 0 V weiß (WH) analoger Stromausgang Bereiten Sie die Messungen vor: Bewegen Sie den Verschiebeschlitten mit dem Messobjekt auf den induktiven Analogsensor zu. Stellen Sie die digitale Anzeige des Messschiebers auf "0", wenn die Platte den Sensor berührt. Rasten Sie den Signalumschalter auf Stellung "0". Wählen Sie den geeigneten Messbereich am Multimeter, siehe Datenblatt des Sensors. Schalten Sie die 24 V Spannungsversorgung ein. Festo Didactic GmbH & Co. KG FP 1120 A-7
Abstandsmessung mit induktiven Sensoren Aufgabe 1 Teilaufgabe a) Führen Sie die Messreihe 1 durch und tragen Sie die Werte in die Tabelle auf dem Arbeitsblatt ein. Notieren Sie den Ausgangsstrom des induktiven Analogsensors in Abhängigkeit vom Abstand der Stahlplatte vom Sensor. In den aktiven Erfassungsbereich des Sensors kommen Sie, wenn sich der bis dahin konstante Ausgangsstrom verändert. Bewegen Sie das Messobjekt in Schritten von 1 mm vom Sensor weg. Übertragen Sie die Messreihe in das Diagramm. Verwenden Sie für jede Messreihe eine andere Kennzeichnung (z.b. Farbe), um eine übersichtliche Darstellung zu erhalten. Teilaufgabe b) Führen Sie zwei Wiederholungsmessungen durch Messreihe 2 und 3 und tragen Sie die Werte in die Tabellen und das Diagramm ein. Teilaufgabe c) Untersuchen Sie, ob der Sensor eine Hysterese hat. Messreihe 4 und 5: Bewegen Sie das Messobjekt in Schritten von 1 mm auf den Sensor zu. Tragen Sie die Werte in die Tabellen und das Diagramm ein. Hinweis Um für einen beliebigen Ausgangsstrom I des Sensors die Größe des Abstandes s in mm zu ermitteln, benutzen Sie die Geradengleichung: I = R S+ S0 I R = s R = Geradensteigung s 0 = y-achsen-abschnitt Der Umrechnungsfaktor R wird als die Empfindlichkeit des Sensors bezeichnet (englisch: responsivity). A-8 Festo Didactic GmbH & Co. KG FP 1120
Abstandsmessung mit induktiven Sensoren Aufgabe 1 Arbeitsblatt Teilaufgabe a) Messreihe 1 Abstand s (mm) 0 1 2 3 4 5 6 7 Ausgangsstrom I (ma) Abstand s (mm) 8 9 10 11 12 13 14 15 Ausgangsstrom I (ma) Teilaufgabe b) Messreihe 2 Abstand s (mm) 0 1 2 3 4 5 6 7 Ausgangsstrom I (ma) Abstand s (mm) 8 9 10 11 12 13 14 15 Ausgangsstrom I (ma) Messreihe 3 Abstand s (mm) 0 1 2 3 4 5 6 7 Ausgangsstrom I (ma) Abstand s (mm) 8 9 10 11 12 13 14 15 Ausgangsstrom I (ma) Festo Didactic GmbH & Co. KG FP 1120 A-9
Abstandsmessung mit induktiven Sensoren Aufgabe 1 Arbeitsblatt Teilaufgabe c) Messreihe 4 Abstand s (mm) 0 1 2 3 4 5 6 7 Ausgangsstrom I (ma) Abstand s (mm) 8 9 10 11 12 13 14 15 Ausgangsstrom I (ma) Messreihe 5 Abstand s (mm) 0 1 2 3 4 5 6 7 Ausgangsstrom I (ma) Abstand s (mm) 8 9 10 11 12 13 14 15 Ausgangsstrom I (ma) 24 I (ma) 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 s (mm) 15 Bild 1/6: Diagramm I = f(s) des induktiven Sensors A-10 Festo Didactic GmbH & Co. KG FP 1120
Abstandsmessung mit induktiven Sensoren Aufgabe 1 Arbeitsblatt Fragen Ab welchem Abstand s 0 beginnt der Messbereich? Ab welchem Abstand erhalten Sie einen linearen Zusammenhang zwischen Objektabstand und Ausgangssignal des Sensors? Berechnen Sie den Umrechnungsfaktor R für Stahl (S 235 JR) I I2 I1 R = = = = = s s s 2 1 Sie haben den induktiven Abstandssensor untersucht. Eignet sich der Sensor für die Dickenmessung von Stahlscheiben? Wie groß ist die Genauigkeit? Festo Didactic GmbH & Co. KG FP 1120 A-11
Abstandsmessung mit induktiven Sensoren Aufgabe 1 Arbeitsblatt A-12 Festo Didactic GmbH & Co. KG FP 1120