Sensoren für Abstand und Weg (Arbeitsbuch) · Messwertaufnehmer, Messfühler, Messwandler, Detektor oder Transducer. Das Wort Sensor leitet sich vom lateinischen sensus, zu deutsch

Arbeitsbuch FP 1120

Festo Didactic

090155 de

Sensoren fürAbstand und Weg

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: [email protected]

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.

© Festo Didactic GmbH & Co. KG • FP 1120 3

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


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

Inhalt

Inhalt

4 © Festo Didactic GmbH & Co. KG • FP 1120

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


Lösung 1

Bestimmung der Kennlinie eines induktiven Analogsensors __________________C-3

Lösung 2


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

Inhalt



Lösung 5

Positionserfassung an einer Schlitteneinheit mit einem Linearpotentiometer ___C-17


Lösung 6

Positionserfassung an einer Schlitteneinheit mit einem Ultraschallsensor______C-19


Lösung 7

Messung der Kennlinie eines optischen Analog-Reflextasters ________________C-25

Lösung 8

Materialdickenmessung mit einem optischen Analog-Reflextasters ___________C-29

Lösung 9


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


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

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.

Konzeption des Arbeitsbuches

Teil A

Teil B

Teil C

Teil D


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.

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.

1.

Sensoren und

Sinnesorgane

Was sind Sensoren?

Sensor

Was sind Sensoren?


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

Sinnesorgane

Was sind Sensoren?


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.

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.

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.

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.

Sensorsysteme

Smart Sensor

Mikromechanik

Biologische Sensoren

Was sind 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 gesundheitsgefähr-

dender Umgebung.

2.

Einsatz von Sensoren

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

Was sind 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 Position, Abstand, Länge, Weg, Dehnung, Neigung,

Geschwindigkeit, Beschleunigung, Drehwinkel, Rotation sowie

Oberflächeneigenschaften von Werkstücken

für kraftbezogene Größen Kraft, Gewicht, Druck, Drehmoment und mechanische Leistung

für Materieumsatzgrößen Durchflussmengen und Füllstand gasförmiger, flüssiger und

fester Stoffe

für Temperatur und Wärmemenge

für Größen der optischen

Strahlung

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

für Eigenschaften akustischer

Wellen

Schalldruck, Schallenergie, Lautstärke und Tonfrequenz

für elektromagnetische Größen 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.

für energiereiche Strahlung 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

für chemische Stoffe Gase, Ionen, insbesondere aber auch Wasser in der Form von

Feuchte-, Taupunkt- und Vereisungssensoren

für physikalische

Materieeigenschaften

mechanische, elektrische, optische, thermische und akustische

Eigenschaften

zur Objektidentifikation und

Merkmalserkennung

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

3.

Klassifikation

der Sensoren

Was sind 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 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 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.

4.

Signale der Sensoren

Binäre Sensoren

Analoge Sensoren

Was sind Sensoren?


tt

Linearpotentiometer Näherungsschalter

SchaltsignalAnaloges Sensorsignal

U, I

t

s

Weg/Abstand

0

1

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.

Was sind Sensoren?


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.

Prozess Sensorik Signalverarbeitung

Hilfsenergie

Prozessorik

Bild 5: Informationsfluss in der Messtechnik

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.

Prozessorik Ausgabeeinheit

Hilfsenergie

ProzessAktuatorik

Bild 6: Informationsfluss in der Steuerungstechnik

5.

Informationsfluss in der

Automatisierungstechnik

Messtechnik

Steuerungstechnik

Was sind Sensoren?


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.

Prozessorik

Prozess

Prozessenergie

Ausgabeeinheit

Aktuatorik

Stellenenergie

Signalverarbeitung

Sensorik

Hilfsenergie

Bild 7: Informationsfluss in der Automatisierungstechnik

Automatisierungstechnik


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.

Neben den allgemeinen Sicherheitshinweisen sollten folgende Arbeitshinweise

beachtet werden:

• 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.

• Stromversorgung ausschalten

• Messleitungen abnehmen

Benutzerhinweise

FP 1120

Arbeitshinweis

Vor dem Beginn der

Messungen

Nach Beendigung der

Messungen

Benutzerhinweise


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.

- 10 V … + 10 V

0 - 20 mA

INPUT

OUTPUT

Signalumschalter

INPUT

Bild 8: Prinzip der Verschaltung des Signalumschalters und der Anschlusseinheit

Signalumschalter

Best.-Nr. 150538


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.

Gerätesatz

Gerätesatz FP 1120

Best.-Nr. 184475

Gerätesatz


Auf den Gerätesatz sind folgende Elemente abgestimmt:


1 035653 Messschieber

1 035681 Digitalmultimeter


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**


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.

Zubehör

Einrichtungen

Versorgungsgeräte


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, induktiv-

magnetisch

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

Elemente-Aufgaben-Matrix


© Festo Didactic GmbH & Co. KG • FP 1120 A-1


Aufgabe 1

Bestimmung der Kennlinie eines induktiven Analogsensors __________________A-3

Aufgabe 2


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


Aufgabe 5


mit einem Linearpotentiometer ________________________________________A-49


Aufgabe 6


mit einem Ultraschallsensor ___________________________________________A-61


Aufgabe 7

Messung der Kennlinie eines optischen Analog-Reflextasters ________________A-73

Aufgabe 8

Materialdickenmessung mit einem optischen Analog-Reflextaster ____________A-83

Aufgabe 9


mit einem optischen Analog-Reflextaster ________________________________A-93

Teil A – Aufgaben

Teil A – Aufgaben

A-2 © Festo Didactic GmbH & Co. KG • FP 1120


Bestimmung der Kennlinie eines induktiven Analogsensors

• 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

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.

1 2 3 4 5

6

7

8 9G

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


Aufgabe 1

Lerninhalte

Fachwissen

Abstandsmessung mit induktiven Sensoren Aufgabe 1


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

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).

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.

Problembeschreibung

Aufgabenstellung

Hinweis



Die Positions-Nummer der Elementeliste bezieht sich auf die Aufbauskizze und gilt

für alle Teilaufgaben.

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

Pos. Nr. Menge Komponente

5 1 Messschieber

6 1 Digitalmultimeter

Zu den erforderlichen Einrichtungen und Versorgungsgeräten siehe Seite 20.

+

_

Cx

A COMA/mA

!

10A

µ

!

400mAMAX

500 V MAX

!

750V1000V

V

TTL

OFF

A

mAmV

V

nF

µF

µA

TTL

DATA HOLD

PEAK HOLD

DC AUTO

RANGE

_

+0 10 20 30 40

DC

V

24 V 24 V

0 V 0 V

0 V

0 V

GND

GND

24 V

INPUT

INPUT

OUTPUT

0 1 2 3

0 1 2 3

0 1

1020304050 100 20 30 40 50 60 70 80 90 100

90

90

3

†‡

†‡

Ω

10.55 mm

2 4 51 6

Ω

Bild 1/3: Aufbau

Durchführung

Gerätesatz

Zubehör


Aufgabe 1


1

1

2

2

3

3

24 V 24 V

0 V 0 V

0 V

0 V

GND

GND

24 V

INPUT

INPUT

0

0

0 1

†‡

OUTPUT

Cx

A COMA/mA

10A

µ

400mAMAX

500 V MAX

750V1000V

V

TTL

OFF

A

mAmV

V

nF

µF

µA

TTL

DATA HOLD

PEAK HOLD

DC AUTO

RANGE

_

+0 10 20 30 40

DC

V

Ω

Ω

!

!

0 V

BK

RD

WH

BU

3

26 24 V

1

Bild 1/4: Elektrischer Anschluss

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

0 V

BN

BU

BK

WH

VmA

Bild 1/5: Elektrischer Schaltplan

Hinweis



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.

Vorgehensweise



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.

Führen Sie zwei Wiederholungsmessungen durch – Messreihe 2 und 3 – und tragen

Sie die Werte in die Tabellen und das Diagramm ein.

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.

Um für einen beliebigen Ausgangsstrom I des Sensors die Größe des Abstandes s in

mm zu ermitteln, benutzen Sie die Geradengleichung:

s

IR

SSRI0

∆

∆=

+⋅=

R = Geradensteigung

s0 = y-Achsen-Abschnitt

Der Umrechnungsfaktor R wird als die Empfindlichkeit des Sensors bezeichnet

(englisch: responsivity).

Teilaufgabe a)

Teilaufgabe b)

Teilaufgabe c)

Hinweis

Abstandsmessung mit induktiven Sensoren Aufgabe 1 – Arbeitsblatt


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


Messreihe 2

Abstand s (mm) 0 1 2 3 4 5 6 7


Abstand s (mm) 8 9 10 11 12 13 14 15


Messreihe 3

Abstand s (mm) 0 1 2 3 4 5 6 7


Abstand s (mm) 8 9 10 11 12 13 14 15


Teilaufgabe a)

Teilaufgabe b)



Messreihe 4

Abstand s (mm) 0 1 2 3 4 5 6 7


Abstand s (mm) 8 9 10 11 12 13 14 15


Messreihe 5

Abstand s (mm) 0 1 2 3 4 5 6 7


Abstand s (mm) 8 9 10 11 12 13 14 15


1 2 3 4 5 6 7 8 9 100

20

12

8

4

0

I (mA)

15s (mm)131211

16

14

10

6

2

24

18

Bild 1/6: Diagramm I = f(s) des induktiven Sensors

Teilaufgabe c)



Ab welchem Abstand s0 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)

=−

−=

∆

∆=

12

12

ss

II

s

IR ______________ = ______________ = ______________

Sie haben den induktiven Abstandssensor untersucht.

Eignet sich der Sensor für die Dickenmessung von Stahlscheiben?

Wie groß ist die Genauigkeit?

_____________________________________________________________________

_____________________________________________________________________

_____________________________________________________________________

_____________________________________________________________________

_____________________________________________________________________

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_____________________________________________________________________

_____________________________________________________________________

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Fragen



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Sensoren für Abstand und Weg (Arbeitsbuch) · Messwertaufnehmer, Messfühler, Messwandler, Detektor oder Transducer. Das Wort Sensor leitet sich vom lateinischen sensus, zu deutsch