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Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin * Fachbereich Ingenieurwissenschaften II * Labor Messtechnik * Dipl.-Ing. H. Meinke
Fachbereich Ingenieurwissenschaften II
Labor Messtechnik
Anleitung zur Laborübung
Sensor-Messtechnik
Inhalt:
1 Ziel der Laborübung
2 Aufgaben zur Vorbereitung der Laborübung
3 Allgemeines
4 Parameter der Sensoren
4.1 Nennschaltabstand
4.2 Reduktionsfaktor
4.3 Schalthysterese
4.4 Ansprechkurve
5 Sensoren
5.1 Induktive Sensoren
5.2 Kapazitive Sensoren
5.3 Magnetfeldsensoren
5.3.1 Allgemeines
5.3.2 Hallsensoren
5.3.3 Magnetoresistive Sensoren
5.3.4 Sättigungskernsonden
6 Messablauf und Auswertung
Stand: Oktober 2012
Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin * Fachbereich Ingenieurwissenschaften II * Labor Messtechnik * Dipl.-Ing. H. Meinke
1 Ziel der Laborübung
- Kennenlernen des Aufbaus und der Wirkungsweise von induktiven Sensoren,
kapazitiven Sensoren und Magnetfeldsensoren
- Beschaltung der Sensoren
- Experimentelle Aufnahme einer Strom-Weg-Kennlinie, Bestimmung von Schaltabstand
und Schalthysterese
2 Aufgaben zur Vorbereitung der Laborübung
- Einarbeiten in die Laborübung nach dieser Anleitung
- Herausarbeitung von Funktion und Wirkungsweise induktiver und kapazitiver Sensoren,
und Magnetfeldsensoren
Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin * Fachbereich Ingenieurwissenschaften II * Labor Messtechnik * Dipl.-Ing. H. Meinke
3 Allgemeines
Sensoren sind Signalglieder, die meist als berührungslose Taster, Messfühler oder
Messwertgeber arbeiten und physikalische Größen der Umwelt erfassen, wie z.B. Druck,
Temperatur, Kraft.
Sensoren bilden technisch die menschlichen Sinne nach.
Die Umwandlung der physikalischen Größen in ein meist elektrisches Ausgangssignal erfolgt
im Sensor. Die analogen oder digitalen Ausgangssignale werden von Mikroprozessoren und
EDV-Anlagen weiter verarbeitet oder können über Verstärker direkt Steuer- oder Stellglieder
betätigen.
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4 Parameter der Sensoren
4.1 Nennschaltabstand sn
Der Nennschaltabstand beschreibt den maximalen Abstand, den eine Normmessplatte
haben darf, um einen Schaltvorgang auszulösen.
Es handelt sich dabei um einen reinen Kennwert, bei dem Fertigungstoleranzen,
Temperatur- oder Spannungsschwankungen nicht berücksichtigt werden.
Beispiel: Bei dem in der Übung zum Einsatz kommenden induktiven Sensor muss die
Normmessplatte eine Fläche von
18 mm x 18 mm und eine Dicke
von 1 mm besitzen, um den
Nennschaltabstand bestimmen zu
können.
4.2 Reduktionsfaktor R
Der Reduktionsfaktor ist eine materialabhängige Größe. Er beschreibt, um welchen Faktor
sich der Schaltabstand s aufgrund unterschiedlicher Materialien gegenüber Stahl S235 (alt:
St37) reduziert, bezogen auf den Nennschaltabstand sn.
1. Beispiel : induktiver Sensor
2. Beispiel : kapazitiver Sensor
Der Reduktionsfaktor erlaubt die Abschätzung des
Schaltabstandes s, wenn ein anderes Material als
Stahl S235 erfasst werden soll.
Da bei Fe-Metallen Ummagnetisierungs- und Wirbel-
stromverluste auftreten, ist die Dämpfungswirkung
größer als bei NE-Metallen, bei denen nur
Wirbelstromverluste auftreten. Dies wirkt sich in
unterschiedlichen Schaltabständen aus.
r ist die Permittivitätszahl; (permittere [lat.] =
durchdringen).
Die Permittivitätszahl eines Isolierstoffes gibt an,
wievielmal größer die elektrische Flussdichte wird,
wenn statt Vakuum (Luft) der entsprechende
Isolierstoff als Dielektrikum verwendet wird.
Bei einer temperaturabhängigen Permittivitätszahl
muss mit einer Abweichung des Schaltabstandes
gerechnet werden.
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4.3 Schalthysterese H
Die Schalthysterese ist der Wegunterschied zwischen dem Einschaltpunkt pe (Annähern des
Sensors) und dem Ausschaltpunkt pa (Entfernen des Sensors) von der Materialprobe.
Sie wird in Prozent des Nennschaltabstandes angegeben.
4.4 Ansprechkurve
Die Ansprechkurve sagt aus, in welcher räumlichen Entfernung zur Messplatte die Grenzlinie
liegt, bei deren Überfahren der Sensor schaltet.
Die Anfahrrichtung einer Messplatte kann seitlich oder axial erfolgen. Bewegt man die
Messplatte seitlich in die aktive Zone hinein, so erhält man je nach axialem Abstand einen
anderen Schaltabstand s.
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5 Sensoren
5.1 Induktive Sensoren
Induktive Sensoren, auch als induktive Näherungsschalter oder Initiatoren bezeichnet, sind
in der Automatisierungs- und Verfahrenstechnik weit verbreitet. Sie sind durch ihre Bauform
geschützt gegen Umwelteinflüsse, zeichnen sich durch hohe Zuverlässigkeit aus und
arbeiten berührungslos, kontaktlos und rückwirkungsfrei.
Aufbau und Funktion
Das aktive Element eines induktiven Sensors besteht
aus einer Spule und einem Ferritkern.
Wird der LC-Schwingkreis von einem Oszillator
angeregt, erzeugt die Spule ein Magnetfeld, das nur an
einer Seite des Ferritkerns austreten kann.
Diese Seite des Ferritkernes wird als aktive Fläche des induktiven Sensors bezeichnet.
Das austretende Magnetfeld wirkt nur über einen
räumlich begrenzten Bereich (aktive Schaltzone). Wird
in diesem Bereich eine Metallplatte (z.B.
Bedämpfungsfahne aus Stahl) gebracht, so wird das
Magnetfeld deformiert oder bedämpft (Auslösen des
Schaltvorgangs). Durch die Veränderung des Magnet-
feldes erfährt die Spule eine Impedanzänderung. Ist
die Bedämpfung so groß, dass die Schwingungsamplitude einen gewissen Wert
unterschreitet, spricht ein Komparator an und gibt über die Endstufe ein Ausgangssignal aus.
Schaltabstand
Der Schaltabstand induktiver Sensoren ist abhängig:
- von der Metallart
- vom Spulendurchmesser
- von der Fläche des angenäherten Körpers
- von der Einbauart (bündig/nichtbündig)
Induktive Sensoren reagieren nur auf Metalle !
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5.2 Kapazitive Sensoren
Kapazitive Sensoren, auch als kapazitive Näherungsschalter bezeichnet, werden eingesetzt
um auch nichtleitende Materialien, wie Kunststoff, Holz, Glas usw. zu erfassen. Sie arbeiten
wie die induktiven Sensoren berührungslos, kontaktlos und rückwirkungsfrei.
Aufbau und Funktion
Das aktive Element eines kapazitiven Sensors
besteht aus einer Sensorelektrode und einer
Abschirmung. Diese beiden Elektroden bilden
zusammen einen Kondensator.
Durch Annähern einer Schaltfahne (metallischer oder
nichtmetallischer Gegenstand) erfolgt im elektrischen
Feld dieses Kondensators eine Kapazitätsänderung,
d.h. der Kondensator des RC-Schwingkreises ist so angeordnet, dass sich seine Kapazität
bei Annäherung eines Gegenstandes vergrößert (Kapazitätsänderung C).
Der Oszillator wird so abgestimmt, dass er erst durch
diese Kapazitätszunahme schwingfähig wird. Dieses
Anschwingen bei Annäherung eines Gegenstandes wird
von einem Komparator erkannt und über die Endstufe
ausgegeben.
Schaltabstand
Der Schaltabstand kapazitiver Sensoren ist abhängig:
- vom Sensordurchmesser
- vom Material des angenäherten Körpers
- von der Masse des angenäherten Körpers
- von der Einbauart (bündig/nichtbündig)
Kapazitive Sensoren reagieren auf Metalle und Nichtmetalle !
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5.3 Magnetfeldsensoren
5.3.1 Allgemeines
Magnetfeldsensoren reagieren auf magnetische Felder von Dauer- oder Elektromagneten.
Außerhalb eines Dauermagneten verlaufen die
Feldlinien vom Nord- zum Südpol. An der
Grenzfläche zweier aufeinander stoßender
Materialien werden die Feldlinien gebrochen,
wenn sie nicht senkrecht einfallen. Die beiden
Materialien müssen dabei eine unterschiedliche
Permeabilität (Durchlässigkeit) aufweisen.
Dieser Effekt kann ausgenutzt werden, indem die Feldlinien durch ferromagnetische
Materialien (z.B. S235) abgelenkt und geführt werden können.
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5.3.2 Hallsensoren
Bei Hallsensoren wird die seitliche Ablenkung eines Elektronenstroms durch ein Magnetfeld
(Hall-Effekt) als Hallspannung UH ausgewertet.
Die Lorentzkraft ist dafür ver-
antwortlich, das die Elektronen vom
Magnetfeld abgelenkt werden. Eine
Seite verarmt dann an Elektronen,
auf der anderen Seite reichern sich
Elektronen an. Dadurch entsteht die
Hallspannung.
5.3.3 Magnetoresistive Sensoren
Wie bei den Hallsensoren wird auch bei diesen Sensoren der Hall-Effekt ausgenutzt.
Magnetoresistive Sensoren beruhen
auf der Änderung des elektrischen
Widerstands weichmagnetischer
Legierungen unter der Einwirkung
eines längs- oder querverlaufenden
Magnetfeldes. Es handelt sich um
Halbleiterbauelemente, bei denen
feine, parallel ausgerichtete Nadeln
(z.B. aus Fe) eingelagert sind.
Magnetfeldabhängig wird der Weg durch das Sensorelement verlängert, wodurch es zu einer
Widerstandserhöhung kommt. Magnetoresistive Sensoren werden zunehmend zur Messung
magnetischer Gleich- und Wechselfelder eingesetzt.
Gegenüber Hallsensoren weisen sie eine höhere Empfindlichkeit auf und können in einem
größeren Temperaturbereich eingesetzt werden.
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5.3.4 Sättigungskernsonden
Sättigungskernsonden werden hauptsächlich zur Bestimmung kleiner Feldstärken
eingesetzt. Sie nutzen die Nichtlinearität von Magnetisierungskurven hochpermeabler
weichmagnetischer Werkstoffe aus.
Sättigungskernsonde mit einem Kern
Die Sonde besteht aus einem oder zwei
hochpermeablen Stabkernen oder einem
Ringkern. Das Material des Kerns wird
durch einen Wechselstrom in der
Magnetisierungswicklung periodisch in die
Sättigung gesteuert. In der Sondenwicklung
wird dadurch eine Spannung induziert.
Sättigungssonde mit Ferritkern und Joch
Ein weiteres Verfahren für Sättigungs-
kernsonden ist die Methode mit Ferritkern
und Joch. Bei dieser Sondenart wird eine
Schwingkreisschaltung verwendet. Wird
ein Magnetfeld angenähert, geht das Joch
schnell in die Sättigung und der
magnetische Widerstand steigt. Der
Oszillator ist nun schwingfähig und der
Sensorstrom I steigt ().
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6 Messablauf und Auswertung
Am Tag der Laborübung liegen zwei verschiedene Sensoren an jedem Messplatz aus. Der
Messablauf ist somit für den zweiten Sensor zu wiederholen.
Bauen Sie den Sensor in den Messaufbau ein.
Bestimmen Sie mit Hilfe der ausliegenden Materialproben den Sensortyp.
Bestimmen Sie für den Sensor die Ein- und Ausschaltposition (pe und pa siehe Punkt 4.3).
Wählen Sie dazu eine geeignete Materialprobe und nehmen Sie die Messwerte
entsprechend des ausliegenden Protokollvordruckes auf.
Berechnen Sie den Wegunterschied w und die Schalthysterese H.
Der Nennschaltabstand sn ist den ausliegenden Datenblättern zu entnehmen.
Stellen Sie anhand ihrer Messwerte die Schalthysterese grafisch dar!
(Strom-Weg-Kennlinie)
Es stehen zwei Messaufbauten zur Verfügung.
