Identifizierungs- und Automatisierungstechnikpodcast.flw.mb.tu-dortmund.de/IDAT_WS1415/docs/folien20141117_1500.pdf · Abstrakt ist ein einfacher Sensor ein Signalwandler, der einen

Sensortechnik

Prof. Dr. Michael ten Hompel

Sascha Feldhorst

Lehrstuhl für Förder- und Lagerwesen

TU Dortmund

Identifizierungs- und

Automatisierungstechnik

1

Organisatorisches

Einführung

Szenarien

Verzweigungen

Regalbediengeräte

Fahrerlose Transportfahrzeuge

Weitere Sensoren

Klassifizierung

Klassische Probleme

Gliederung

Sensortechnik

2

Einführung:

Einordnung und Lernziele

Aufgabe von Sensoren verstehen

Relevante Messprinzipien

kennenlernen

Wandlung physikalischer in

elektrische Größen anhand

einfacher Beispiele nachvollziehen

Typische logistische

Einsatzszenarien kennenlernen

Eigenschaften verschiedener

Sensorklassen benennen können

Häufige Fehlerquellen und

Lösungsansätze verstehen

3

Einführung:

Grundstruktur der Systeme (Wdh.)

Automatisierte Systeme

bestehen abstrakt aus:

Automatisierter Prozess

Automatisierungseinrichtung

Bediener

Zwischen beteiligten

Komponenten besteht eine

Informationsrückkopplung

Nach [Lun07, S.17]

4

Einführung:

Rückkopplungsprinzip

Rückkopplung ist ein wichtiges Prinzip in der

Automatisierung

Grundstruktur enthält zwei Rückkopplungen

1) Zwischen Prozess und Automatisierungseinrichtung

2) Zwischen Automatisierungseinrichtung und Bediener

Hauptunterschiede der Rückkopplungen

[Lun07, S.19]

Bildquelle: openclipart.org

1)

2)

Merkmal 1) 2)

Automatisch ja nein

Informationsbedarf hoch gering

Geschwindigkeit μs bis min unregelmäßig

Deterministisches Verhalten ja nein

5

Einführung:

Beteiligte Komponenten

6

Einführung:

Begriffliches

Sensor (von lat. sensus: Sinn, Gefühl) ist kein

einheitlich verwendeter Begriff!

Im Zuge dieser Vorlesung gilt:

„Ein Sensor ist ein Sammelbegriff für Geräte, die Prozesswerte ,meist nichtelektrischer Art, aufnehmen und in elektrische Größen umwandeln.“

Hauptaufgaben:

Sinnesorgane des Menschen nachbilden

Aufnahme von Prozesswerten

Bereitstellung dieser Prozesswerte

für angeschlossene Automatisierungsgeräte

7

Einführung:

Sensorspektrum

Sensoren umfassen ein

breites Spektrum:

Vom mechanischen Schalter

Bis zu intelligenten Kameras

mit Netzwerkanschluss

Bildquelle:

SensorLab

8

Einführung:

Allgemeines zu Sensoren

Arbeitsweise:

Abstrakt ist ein einfacher Sensor ein Signalwandler,

der einen Prozesswert in eine elektrische Größe

umwandelt (U, I, R, E)

Umwandlung nutzt technische Aufnehmer

Es sind etwa 100 physikalische, chemische oder

biologische Effekte bekannt, die für Sensoren

genutzt werden

Ausführungen

Berührungsgebundene Sensoren (taktil)

Berührungslose Sensoren (nicht taktil)

9

Einführung:

Häufige Messprinzipien

Prinzip Erklärung

Mechanisch Von außen einwirkende Kraft schließt oder öffnet elektrischen Kontakt

Optisch

Lichtsignal wird zwischen Quelle und Detektor ausgetauscht und festgelegte

Eigenschaften auf Empfängerseite erhoben, wie Intensität, Phasenverschiebung

oder Lichtlaufzeit

Ele

ktr

isc

h

Resistiv

Messung der Veränderung des Widerstands eines einzelnen Widerstands oder

eines Widerstandssystems. Änderung des Widerstands kann anwendungs-

spezifisch auf verschiedene Arten erfolgen

Induktiv

Messung der Veränderung der Induktivität einer einzelnen Spule oder eines

ganzen Spulensystems. Änderung der Induktivität kann anwendungsspezifisch auf

verschiedene Arten erfolgen

Kapazitiv

Messung der Veränderung der Kapazität eines einzelnen Kondensators oder eines

ganzen Kondensatorsystems. Änderung der Kapazität kann anwendungsspezifisch

auf verschiedene Arten erfolgen

Ultraschall Objekt reflektiert ausgesendeten Schall und über Laufzeitmessungen kann so eine

Detektion bzw. Entfernungsmessung erfolgen

10

Einführung:

Messgröße Elektrischer Widerstand

Elektrischer Widerstand bestimmt die Spannung,

die nötig ist, um einen Strom durch einen Leiter

fließen zu lassen.

Eigenschaften:

Jeder Leiter setzt elektrischem Strom

einen Widerstand entgegen

Stromstärke I umgekehrt

proportional zum Widerstand R

Maßeinheit: Ohm (Ω)

Direkt messbar oder indirekt über Brückenschaltung

Beeinflussbar durch:

Material (p), Leiterquerschnitt (A), Leiterlänge(l),

Temperatur, Licht, Druck, Dehnung, usw.

11

Bildquelle: Bild unten (Wikipedia)

𝑅 = 𝜌𝑙

𝐴

Einführung:

Beispiel einfacher Positionssensor

Idee:

Positionsbestimmung

mit Potentiometer

Widerstandswert ändert sich durch

Betätigung des Potentiometers

Widerstandsänderung erfassen und

in x-Wert daraus ableiten

Funktionsweise:

Potentiometer ist ein verstellbarer

Widerstand mit drei Anschlüssen

Poti-Position ändert Spannung U23

Spannungsmessung liefert Position

Auch auf Winkelmessung anwendbar

12

𝑋 = 𝑋𝑚𝑎𝑥

𝑈23𝑈13

1 2

3

θmax

θ

𝜃 = 𝜃𝑚𝑎𝑥

𝑈23𝑈13

Einführung:

Messgröße Kapazität

13

Bildquelle:

Fabian R., Wikipedia

Die Kapazität bezeichnet die Eigenschaft eines

Bauteils eine elektrische Ladung zu speichern.

Eigenschaften:

Begriff wird synonym für

Kondensatoren gebraucht

Maßeinheit: Farad (F)

C ist nicht das Fassungsvermögen!

Kann durch Messbrücke oder Schwingkreis

bestimmt werden


Plattenfläche (A), Plattenabstand (d),

Permittivität (𝜀), usw.

Einführung:

Messgröße Induktivität

Die Induktivität beschreibt die Fähigkeit eines

stromdurchflossenen Leiters aufgrund der

Änderung der Stromstärke ein Magnetfeld

aufzubauen.

Eigenschaften:

Zeigt den Zusammenhang von

elektrischen und magnetischen Feldern

Begriff wird synonym für Spulen gebraucht

Maßeinheit: Henry (H)

Kann durch Messbrücke oder Schwingkreis

bestimmt werden


Wicklungszahl, Permeabilität, usw.

14

Bildquelle: Zureks, Wikipedia

Anwesenheit:

Anwesenheit eines

Objekts an einer Stelle

Position/Entfernung:

Erfassen definierter

Punkte während des

Transports (1D, 2D, 3D)

Weg:

Zurückgelegte Strecke

eines Guts oder Gewerks

Relativ

Absolut

Geschwindigkeit:

Aktuelle Geschwindigkeit

eines Guts oder Gewerks

Zeit:

Vergangene Zeit seit

Ereignis, z.B. Systemstart

Objekteigenschaften:

Art, Sorte, Eigenschaft

eines Objekts

Objektidentifikation

Indirekte Merkmale

(Barcodes, RFID,

Beschriftungen etc.)

Direkte Merkmale

(Kanten, Bohrungen,

Strukturen etc.)

Menge:

Summierung von

1-Bit Impulsen

Einführung:

Häufige Prozesswerte im Materialfluss

15

Szenario: Verzweigungen

16

Szenario: Verzweigungen –

Beschreibung

Ort:

Verzweigungselemente in Stetigförderanlagen

Aufgabe:

Pakete kommen an und müssen entsprechend

ihrem Ziel geleitet werden

Messwerte:

Paketanwesenheit

Eingang der Verzweigung

Ausgänge der Verzweigung

Paketidentität/-typ

Position des Verzweigungselements

17


Beispiel Energieeffizienzanlage

Fraunhofer IML betreibt eine Förderanlage zu

Energieeffizienzbetrachtungen

Verzweigungselemente:

Rollentransfer (Rollenausschleuser)

Kettentransfer

Gurttransfer

Verbaute Sensoren:

Messwerte Sensortyp

Paketanwesenheit Lichttaster

Paketidentität RFID-Lesegerät

Weichenposition Induktivsensor

18


Lichttaster

Ein Lichttaster ist ein

integrierter, optischer Sensor

Funktionsweise:

Lichtquelle (z.B. LED) sendet Lichtsignal

Licht wird am Objekt diffus reflektiert

Fotoelektrischer Empfänger misst

Intensität des reflektierten Lichts

Bei Erreichen eines Schwellwerts wird ein

Signalwechsel am Ausgang ausgelöst

Merkmale:

Lichtquelle und Empfänger in einem Gehäuse

Tastweite: Üblicherweise bis zu 2m

[tBF08, S.176]

19


RFID-Lesegerät

Ein RFID-Lesegerät ist ein

intelligenter Identifikationssensor

Funktionsweise:

Antenne baut elektrisches, magnetisches oder

elektro-magnetisches Feld auf

Feld regt Schwingkreis im Tag an (Energieversorgung)

Information wird auf Trägerfrequenz aufmoduliert

Gegenstation (Lesegerät oder Tag) filtert Information

heraus und wertet diese aus

Merkmale:

Antenne u. Auswertung meist nicht in einem Gehäuse

Reichweite: Abhängig von Frequenzbereich und

Stromversorgung des Tags (aktive und passive Tags)

[tBF08, S.176]

20


Induktiver Näherungsschalter

Ein Induktiver Näherungsschalter ist ein

integrierter, induktiver Sensor

Funktionsweise:

Oszillator versorgt

Spulen- und Ferritkernbaugruppe (SFK) mit Energie

SFK erzeugt hochfrequentes Wechselfeld

Leitendes Objekt entzieht dem Feld Energie

Triggerschaltkreis erfasst Veränderung der

Schwingkreisamplitude



Merkmale:

Schaltabstand: Einige mm bis wenige cm

(ca. 5-15mm)

Bildquelle: Rockwell Automation

21

Szenario: Regalbediengerät

22

Szenario: Regalbediengerät –

Beschreibung

Ort:

Regalbediengerät in Hochregal

Aufgabe:

Paletten ein-, um- oder auslagern

Messwerte:

Palettenanwesenheit

Auf Lastaufnahmemittel

In Lagerfächern

Palettenidentität/-typ

Palettenprofil

Palettengewicht

Position (Fahrwerk, Gabel)

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Beispiel Hochregal des FLW

FLW betreibt in seiner Versuchshalle Hochregal

samt automatisierten RBG

Verbaute Sensoren:

Messwerte Sensortyp

Palettenanwesenheit

(Fach) Lichttaster

Palettenanwesenheit

(Lastaufnahmemittel) Reflexionslichtschranke

Palettenidentität Barcode-Scanner

Palettenprofil Lichtvorhang

Palettengewicht Wägezelle

Position (Fahrwerk) Absolutkodierter Wegerfasser

24


Reflexionslichtschranke

Eine Reflexionslichtschranke ist ein


Funktionsweise:

Lichtquelle sendet Lichtsignal

Licht wird an Reflektor reflektiert (Totalreflexion)


Intensität des reflektierten Lichts

Bei Unterbrechung der optischen Strecke wird ein


Merkmale:

Lichtquelle und Empfänger in einem Gehäuse

Tastweite: 0,1m bis zu 10m

25


Barcodescanner

Bildquelle: EN ISO/IEC 15416

[tBF08, S. 93]

Ein Barcodescanner ist ein

intelligenter Identifikationssensor

Funktionsweise:

Laser wird über den Barcode geführt, durch

Rotierendes Polygonrad

Schwingspiegel

Reflektiertes Licht trifft auf Fotodiode und erzeugt

Analogspannung (Scanprofil)

Spannung wird verstärkt u. digitalisiert

Dekodierer wertet digitales Signal aus und übersetzt

dieses in ASCII-Zeichen

Merkmale:

Keine Relativbewegung des Barcodes nötig

Mechanik unterliegt Verschleiß

26


Lichtvorhang

Bildquelle: [tBF08, S.10]

Ein Lichtvorhang oder Lichtgitter ist ein aus

mehreren Lichtschranken zusammengesetzter,

integrierter Sensor

Funktionsweise:

Mehrere Lichtschranken werden zeilenweise

angeordnet

Ausgangssignale der Einzelsensoren werden zu

einem Digitalsignal zusammengefasst

Anwendung:

Profilkontrolle, Absicherung von Lagergassen

27


Einweglichtschranke

Eine Einweglichtschranke ist ein


Funktionsweise:

Lichtquelle sendet Lichtsignal


Intensität des eintreffenden Lichts

Bei Unterbrechung der optischen Strecke wird ein


Merkmale:

Lichtquelle und Empfänger

nicht in einem Gehäuse

Tastweite: bis zu 100m

Bildquelle: Cedes

28


Wägezelle

Eine Wägezelle ist ein einfacher Drucksensor zur

Gewichtsbestimmung

Funktionsweise:

Kraftaufnehmer (z.B. Biegestab) verändert durch

Gewicht des Messobjektes seine Form

Dehnungsmessstreifen (DMS) verändern durch

Verformung ihren elektrischen Widerstand

Auswertungseinheit bestimmt Widerstand der DMS

und ermittelt darüber das Gewicht

Merkmale:

Wird in Industriewaagen eingesetzt

Einsetzbar für kleine bis mittlere Gewichte

Bildquelle: SIEMENS

29


Absolutkodierter Wegerfasser

Ein absolutkodierter Wegerfasser ist ein

intelligenter Sensor zur Positionsbestimmung

Funktionsweise:

Maßstab mit Durchbrüchen unterschiedlicher Breite

Sensor bestehend aus mehreren Lichtschranken

wird über den Maßstab bewegt

Im Maßstab kodierter wiederholungsfreier Code wird

von Lichtschranken abgetastet

Im Sensorkopf integrierte Verarbeitungseinheit

berechnet fortlaufend die absolute Position

Merkmale:

Anwendung:

Positionserfassung von RBG- und EHB-Fahrwerken

Genauigkeit: 2-3mm Bildquelle: [tBF08, S.178]

30

Szenario:

Fahrerloses Transportfahrzeug (FTF)

31

Szenario: FTF –

Beschreibung

Ort:

An einem Fahrerlosen Transportfahrzeug

Aufgabe:

Unstetiger Transport von Stückgütern innerhalb

eines logistischen Systems

Messwerte:

Anwesenheit von Hindernissen

Direkter Kontakt (Kollision)

In messbarer Reichweite

Position

Fahrzeugs

Ziel

Bildquelle: DEMATIC,

[tBF08, S.5]

32

Szenario: FTF –

Beispiel Multimedia-FTF am FLW

Der FLW betreibt ein fahrerloses

Transportfahrzeug zu Präsentationszwecken

Für den Einsatz auf Messegeländen konzipiert

Tagsüber Bereitstellung von Multimedia-Inhalten

Abends Standbewachung

Verbaute Sensoren:

Messwerte Sensortyp

Kollision Bumper

Hindernis Laserscanner

Anwesenheit

von Personen CCD-Kamera

33

Szenario: FTF –

Sicherheitsbumper

Ein Sicherheitsbumper ist ein einfacher,

mechanischer Drucksensor

Funktionsweise:

Bumper stößt an Hindernis

Durch den enstehenden Druck wird der elastische

Bumper zusammengedrückt und der Abstand

zwischen zwei getrennten Leitern verkleinert sich

Berühren sich die Leiter wird ein Signalwechsel am

Ausgang ausgelöst

Merkmale:

Alternative Realisierung mit Druckschaltern möglich

Bumper umgibt das FTF von allen Seiten

Löst ein Bumper aus, hält das FTF sofort an

34

Szenario: FTF –

Laserscanner

Ein Laserscanner ist ein intelligenter,

optischer Sensor

Funktionsweise:

Winkelbasiertes Abtasten des Raums durch Laserlicht

Fotoelement misst die Laufzeit des reflektierten

Lichts, dadurch ist die Entfernung zum nächsten

Punkt am vorgegebenen Messwinkel ermittelbar

Merkmale:

Ein 180°-Laserscanner wird i.d.R. vorn am FTF

angebracht, ein 270°-Laserscanner über Eck

Ausführung als 2D- und 3D-Scanner

3D-Scanner = 2D Scanner mit zusätzlichem Antrieb,

i.d.R. als Messeinrichtung und nicht zum Kollisionsschutz

3D-Scanner sind vergleichsweise langsam

(zum Teil >1s) [tBF08, S.188f.]

35

Szenario: FTF –

CCD-Kamera

Bildquellen: NASA

Michael Schmid/Wikipedia.de

Eine CCD-Kamera ist ein

intelligenter, optischer Sensor

Funktionsweise:

Licht trifft durch eine Optik auf einen Chip

Chip besteht aus einem Array von

lichtempfindlichen Fotodioden

(zeilen- oder matrixweise Anordnung)

Anzahl der Dioden bestimmt die Auflösung

Chip liefert Bildpunkte

(innerer photoelektrischer Effekt)

Merkmale:

Anwendungen:

Bildverarbeitung, Barcodescanner, etc.

36

Weitere Sensoren:

PMD-Kamera

Eine PMD-Kamera (auch Time-of-Flight-Kamera)

ist ein intelligenter, optischer Sensor

Funktionsweise:

Quelle sendet ein moduliertes Lichtsignal aus

(z.B. im Infrarotbereich)

Von der Szene reflektiertes Licht trifft auf PMD-Chip

Korrelation aus gesendeten und empfangenen Signal

liefert pixelweise Entfernung (Phasenverschiebung)

Auswertungseinheit erzeugt ein Entfernungsbild

(z.B. durch Einfärben)

Merkmale:

Eindeutigkeitsbereich: 0 bis Hälfte der Wellenlänge

Erlauben sehr schnelle Auswertung (bis 100 Bilder/s)

Derzeit noch geringe Auflösungen (i.d.R. 64x48 Pixel)

Aktuell noch sehr teuer Bildquellen:,

PMDTechnologies GmbH/Wikipedia.de, ifm Elektronik

37

Weitere Sensoren:

Kapazitive Näherungssensoren

Ein kapazitiver Näherungssensor ist ein

integrierter Sensor (nicht-taktil)

Funktionsweise:

Sensor erzeugt ein elektrostatisches Feld

Objekt im Feld bedingt Kapazitätsänderung

Kapazitätsänderungen beeinflussen die

Grundschwingung eines Oszillators



Merkmale:

Wirkbereich bis zu einigen cm (bis zu 2,5cm)

Einsatz auch bei nichtleitenden Materialien möglich

Abstimmung auf das Material erforderlich

(anhand der Dielektrizitätskonstante des Materials)


38

Weitere Sensoren:

Mechanische Sensoren

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 (Führung erforderlich,

Schaltzyklen zu beachten, verschleißanfällig)

Wird i.d.R. bei geringer

Betätigungswahrscheinlichkeit eingesetzt

Ausführungen: Endschalter, Not-Aus-Schalter

39

Weitere Sensoren:

Ultraschallsensoren

Ein Ultraschallsensor ist ein integrierter,

akustischer Sensor (nicht-taktil)

Funktionsweise:

Sensor erzeugt hochfrequenten Ton (~100-500 kHz)

Messung des Echos des Ton dieser Frequenz

Aus dem Echo lässt sich die Distanz zum

schallreflektierenden Objekt abschätzen

Merkmale:

Tastweite: bis zu 15m

Einsetzbar bei allen Materialien

Starker Einfluss der Umgebungsbedindungen

(Lufttemperatur, -druck, -feuchte)

Anwendungen: FTF, Füllstandsprüfung, Ersatz von

Lichtschranken in staubiger Umgebung Bildquelle: SIEMENS,

Alfaomega/Wikipedia.de

40

Klassifizierung:

Nach Wirkprinzip

41

Klassifizierung:

Nach Ausgangsgrößen

42

Klassifizierung:

Nach Dimension der Messgröße

Dimension eines Sensors

ist dessen räumlicher

Erfassungsbereich

Messgrößen können

direkten Bezug

zum Messraum haben

0D = Punkt (kein Bezug),

1D = Strecke, 2D = Ebene,

3D = Raum

Umsetzung der

Dimension

Integriert

(z.B. CCD-Kamera)

Kaskade von Sensoren

Zeilenweise Anordnung

Matrixweise Anordnung

43

Klassische Probleme:

Sensorspezifische Einschränkungen

Optische Sensoren

Fremdlichteinfall

Polarisationsfilter verringert Tastweite

Verschmutzung

Speziell bei Lichttastern

Reflexivität des Objekts hat starke

Auswirkungen auf Ansprechverhalten

Problem mit glänzenden Oberflächen

Induktive Sensoren

Sehr kurzer Schaltabstand (<= 1,5cm)

Beeinflussung durch starke EMF

Kapazitive Sensoren

Kurzer Schaltabstand (<=2,5cm)

Einstellung auf das Material nötig

Empfindlich gegenüber Luftfeuchte


Prellen, d.h. ein mehrfaches Ein- und

Ausschalten bei einfacher Betätigung

(z.B. bei Endschaltern)

Unterliegen stärkeren Verschleiß

Ultraschallsensoren

Ausrichtung gerader Oberflächen für

ein gutes Echo nötig (+/- 3°)

Vergleichsweise lange Ansprechzeit

(~0,1s)

Änderung von Temperatur, Druck oder

Feuchte verändert Messergebnis

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Übersprechen

Übersprechen in der Sensortechnik bezeichnet

das fehlerhafte Ansprechen eines Sensors auf die

Signale eines benachbarten Sensors (Interferenz)

Arten des Übersprechens

Akustisch bei Ultraschallsensoren

Optisch bei Lichtschranken oder PMD-Kameras

Auch kapazitive und induktive Näherungssensoren

können sich gegenseitig beeinflussen

Lösungen

Sensorspezifischen Abstand einhalten

Multiplexen (z.B. Zeit, Frequenz)


45


Hysterese

Bezeichnet die Differenz zwischen Abstand des

Einschaltzeitpunkts zum Abstand des

Ausschaltzeitpunkts, wenn sich ein Objekt auf

einen Sensor zu bzw. weg bewegt

Betroffene Sensoren

Induktivsensor


Magnetfeldsensoren

Lichttaster

Umgang:

Beeinflusst die Genauigkeit der Sensorereignisse

Berücksichtigung bei Auswertung der Ereignisse

Bildquellen:

Rockwell Automation, Johannes Bedenbender/wikipedia.de

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Messfehler

Statistische Fehler

Dabei handelt es sich um zufällige Messfehler,

sogenannte Ausreißer

Lassen sich i.d.R. nicht beheben

Beispiel: Thermisches Rauschen eines Sensors

Systematische Fehler

Fehler, die dadurch entstehen, dass der Sensor

falsch geeicht ist

Äußern sich durch konstanten oder proportionalen

Verschiebung der Messwerte

Lassen sich durch Kalibrierung beheben

Beispiel: Ultraschallsensor

Einstellung der Schallgeschwindigkeit

am Einsatzort mittels Referenzsensor

Bildquelle: www.tgs-chemie.de

47

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

48

Ansprechpartner

Lehrstuhl für Förder- und Lagerwesen

LogistikCampus

Joseph-von-Fraunhofer-Str. 2-4

44227 Dortmund

Telefon: 0231 755-2099

Fax: 0231 755-4768


Mojtaba Masoudinejad, M.Sc.

Telefon: 0231 755-3236

e-Mail: [email protected]

© Lehrstuhl für Förder-und Lagerwesen

Technische Universität Dortmund


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