Sensortechnik
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Sascha Gaubatz
Sascha Gaubatz
Diese Lernkarten bieten eine grundlegende Einführung in die Sensortechnik, mit Fokus auf Prinzipien, Funktionsweisen und Anwendungen verschiedener Sensoren. Sie erläutern Begriffe wie DMS, Magnetfeld und Spannung, skizzieren Messprinzipien und beschreiben Systeme wie Lichtschranken und Drehgeber. Ideal für Elektrotechnik-Interessierte, die die Grundlagen der Sensorik verstehen möchten.
Flashcards
61
Students
3
Language
German
Category
Electrical Engineering
Level
Primary School
Created / Updated
17.01.2013 / 15.03.2021
Was unterscheidet einen Drehgeber von einem Absolut-‐Drehgeber? Wie funk-‐ tioniert letzterer?
• Der Drehgeber muss immer wieder eine Referenzfahrt ausführen. • Der Absolut-‐Drehgeber ist dagegen Volloptisch o Bei diesem ist jeder Winkelposition ein eindeutig definierter Positions-‐ wert zugeordnet. o Die Abtastung erfolgt verschleißfrei über optische Elemente. o Das Licht einer Infrarot-‐Diode durchstrahlt eine drehbare Codescheibe aus Glas und eine feststehende Blende, ähnlich wie bei den Inkremen-‐ talsensoren. o Dahinter entsteht eine definiertes Hell-‐/Dunkelmuster, das von einem op-‐ tischen Array in elektrische Signale umgewandelt wird.
Erläutern Sie das Prinzip eines DMS. Geben Sie die Bestimmungsgleichung für den Widerstand R an. Welche physikalische Größe bestimmt im wesentlichen die Widerstandänderung a) beim Metall-‐DMS, b) beim HL-‐DMS? Wie heißt der Proportionalitätsfaktor, welcher zwischen ΔR/R ~ ΔI/I vermittelt? Nennen Sie typische Werte!
• Bestimmungsgleichung für: R= (L/A)*P= (4L/d^2*PI)*P • Von der Längenänderung (spezifischer Widerstand des Materials) • Der Proportionalitätsfaktor heißt k (Empfindlichkeitsfaktor) o Bei Metall-‐DMS bei ca. 2 o Bei HL-‐DMS bei ca. ± 100
Welches Trägermaterial wird bei DMS-‐Folien eingesetzt?
• Kapton – Polyimid
Geben Sie typische Werte für übliche Nennwiderstände an!
• Draht-‐DMS: 120Ω, 600Ω • Folien-‐DMS: 120Ω, 300Ω, 350Ω, 600Ω • HL-‐DMS: 120Ω, 600Ω
Was versteht man im Zusammenhang mit der Applikation von DMS unter „Kriechen“?
• Der DMS wird mit Kunststoff aufgeklebt. • Der Kunststoff relaxiert langsam zurück in seine Ausgangsposition. • Das nennt man Kriechen. • Wichtig bei statischen und quasistatischen Messungen.
Welche „Kleb“-‐Systeme sind bei hohen Arbeitstemperaturen im Bereich >600°C zur Applikation von z.B. Freigitter-‐DMS auf Metalloberflächen geeig-‐ net?
• Keramische Kitte o z.B. Zementmasse
Was versteht man unter einer Viertel-‐ und einer Halbbrücke? Geben Sie die jeweils prinzipiell erreichbaren maximalen Empfindlichkeiten an! (Ursa-‐ che/Wirkungsprinzip)
• Der grundlegende Unterschied ist: o Eine Viertelbrücke arbeitet mit einem Sensor o Eine Halbbrücke arbeitet mit zwei Sensoren • Sensoren immer gegenüber liegend anordnen, um max. Potenzialunterschied zu erreichen.
Skizzieren Sie die Applikation eines aktiven DMS und eines Temperatur-‐ Kompensations-‐DMS auf einem Biegebalken. Geben Sie die zugehörige Brü-‐ ckenschaltung mit Betriebs-‐ und Signalspannungen an. Ordnen Sie die Lagen der Brückenglieder denen der Applikationsskizze zu!
Bild
Wie lassen sich Torsionskräfte mittels DMS messen? Skizzieren Sie eine ent-‐ sprechende Anordnung auf einer Welle!
• DMS die auf 45° zur Welle orientiert sind.
Skizzieren Sie das Prinzip einer einfachen Druckmessdose mit DMS!
Bild
Was versteht man unter einer „seismischen Masse“? Bei der Bestimmung wel-‐ cher Messgröße tritt dieser Begriff auf? Wie funktioniert das Gesamtmess-‐ prinzip?
• Die seismische Masse ist die Grund-‐(Trägheits-‐)masse an einem piezoelektri-‐ schen Sensor. • Der eine Teil der zum Piezoscheibe ist mit der seismischen Masse verbunden. Der andere Teil mit einem starren Träger. • Wird diese Kombination nun in Schwingung versetzt, so wirkt über die seismi-‐ sche Masse eine Kraft auf die Piezoscheibe. • Durch den piezoelektrischen Effekt entsteht an den Elektronen eine Ladung, die proportional zur Kraft und damit auch zum Druck oder der Beschleunigung ist.
Nennen Sie drei physikalische Effekte, welche zur Temperaturbestimmung genutzt werden!
• Widerstandsänderungen in Metall • Widerstandsänderungen in Halbleitern • Widerstandsänderungen in Thermo-‐Elementen
Skizzieren Sie den prinzipiellen Verlauf R(T) eines Platinwiderstandes Pt100. Geben Sie die Werte für T=0°C im Diagramm an!
• Pt100 à 100Ω bei 0°C • In erster Näherung linearer Verlauf
Der Temperaturkoeffizient eines Pt100-‐Messfühlers beträgt α = 0,00385 K-‐1! Berechnen Sie den Widerstand bei 500°C!
• R(ϑ)=R0(1+αΔT) • R(ϑ)=100Ω(1+0.00385 K-‐1 500°C)=292,5 Ω
Skizzieren Sie den prinzipiellen Verlauf R(T) eines typischen Kaltleiters (PTC)! Bei welcher charakteristischen Temperatur (Begriff nicht Wert!) än-‐ dert sich sein Verhalten „sprunghaft“?
• Bei der Curietemperatur
Zwischen den offenen Enden eines Thermopaares entsteht bereits eine tem-‐ peraturabhängige Spannung. Warum legt man zur Temperaturmessung ge-‐ wöhnlich ein weiteres identisches Thermopaar in Reihe? Welche zusätzlichen Maßnahmen werden damit für eine Temperaturmessung erforderlich?
• Es wird ein zweites Thermoelement benötigt um die Spannung am Ausgang auf 0°C zu beziehen. Bei einem Thermopaar wird in den beiden Leitern unterschied-‐ liches Material verwendet, dadurch kommt es zu einer nicht proportionalen Spannung am Ausgang. • Durch das zweite Element wird die Spannung proportional zur Temperatur!
Geben Sie einen ungefähren Wert für typische „Thermokräfte“ eines Ther-‐ mopaares in Volt/Kelvin an!
Kelvin an! • Bei ca. 30μV/K
Beschreiben Sie die prinzipiellen Unterschiede zwischen einem klassischen Stromwandler und einem Allstromsensor!
• Allstromsensoren arbeiten mit Gleichstrom • Klassische Stromwandler arbeiten mit Wechselstrom
Durch welche Maßnahme wird erreicht, dass der Zusammenhang zwischen Primärstrom und Magnetfeld in einem möglichst weiten Bereich linear bleibt?
• Es ist ein Luftspalt und weichmagnetisches Material erforderlich, um den Mag-‐ netkreis bei Aufmagnetisierung jenseits des Sättigungsbereiches zu betreiben und damit einen linearen Zusammenhang zwischen Magnetfeld und Primärstrom zu erhalten.
Skizzieren Sie das Messprinzip eines Kompensations-‐Stromsensors.
Bild
Geben Sie Beispiele für typische Komponenten einer „Messkette“ an.
Keyboard commands:
= turn,
= for-/backward,
= scroll
• Wechsel-‐ oder Gleichspannungsbrücke
• Differenzverstärker
• OP-‐Messverstärker
• Gleichrichter
• Demodulatoren
• Filter Referenzspannungs-‐ und Konstantstromquellen
• Brückenversorgung
Aus
welchen Hauptkomponenten setzt sich ein Sensor zusammen?
Keyboard commands:
= turn,
= for-/backward,
= scroll
Bild
Erläutern Sie den Begriff der „Ansprechzeit“. Skizzieren Sie zur Verdeutli-‐ chung den Signal-‐/Zeitverlauf.
Keyboard commands:
= turn,
= for-/backward,
= scroll
Die Ansprechzeit, ist die zeit vom Auftreten der physikalischen Messgröße bis zum Erreichen des resultierenden Signalpegels am Ausgang.
Definieren Sie den Unterschied zwischen „erfassenden“ und „messenden“ Sen-‐ soren.
Keyboard commands:
= turn,
= for-/backward,
= scroll
• Erfassende Sensoren erfassen nur 1.Bit • Messende Sensoren erfassen die komplette Variation der ganzen physikalischen Ausgangsgröße
Erklären Sie die Begriffe „Querempfindlichkeit“ und „Störempfindlichkeit“!
Keyboard commands:
= turn,
= for-/backward,
= scroll
• Querempfindlichkeit bezieht sich nur auf die vom eigenen Sensor ausgehenden Störsignale (z.B. Ultraschall) • Störempfindlichkeit bezieht sich dagegen auf alle äußeren Störeinflüsse (z.B. EMV, Licht, Wärme, etc.)
Erläutern Sie den Begriff der „Schalthysterese“ eines mechanischen Positions-‐ schalters anhand einer Signalskizze. Welche Vorteile hat ein Schalter mit „Springkontakt“ gegenüber einem ohne?
Keyboard commands:
= turn,
= for-/backward,
= scroll
• Als „Schalthysterese“ bezeichnet man den Unterschied zwi-‐ schen Ein-‐ und Ausschaltpunkt. Einfach gesagt ist es das Fort-‐ dauern eines Zustandes nach Wegfall der Anregung. • Der Vorteil eines Schalters mit Springkontakt ist, dass bei ihm die kriechenden (undeutlichen) Schaltzustände erheblich mi-‐ nimiert werden.
Was versteht man unter dem „Vorlaufweg“ eines Schalters?
Keyboard commands:
= turn,
= for-/backward,
= scroll
• Den Weg/Winkel des Betätigers von seiner Freistellung bis zum Schaltpunkt.
Beschreiben Sie das Funktionsprinzip eines erfassenden „Induktiven Nähe-‐ rungsschalters“. Geben Sie den Arbeitsbereich und typische Auslösemedien an.
Keyboard commands:
= turn,
= for-/backward,
= scroll
• Konstruktiv ist ein „induktiver Näherungssensor“ als Oszillator mit offenem Magnetkreis der Induktivität aufgebaut.
• Es wird ein magnetisches Streufeld erzeugt. Durch einbringen von elektrisch o-‐ der magnetisch leitfähigen Objekten in das Streufeld, wird der Schwingkreis be-‐ dämpft, es sinkt automatisch die Güte des Systems und verändert die Eigenschaf-‐ ten des Oszillators.
• Typischer Messbereich liegt zwischen 0-‐10mm • Gut elektrisch oder magnetisch leitfähige Materialien 4.
Wie ändert sich die Oszillatorfrequenz eines messenden „Induktiven Nähe-‐ rungsschalters“ bei Annäherung an einen ferromagnetischen (z.B. Fe, μr > 200) bzw. an einen paramagnetischen (z.B. Al, μr ≈ 1) Stoff? Sind beide als Sig-‐ nalgeber geeignet?
Keyboard commands:
= turn,
= for-/backward,
= scroll
• Eisen einbringen: Induktivität wird größer (System wird verstimmt) à Frequenz f sinkt • Aluminium einbringen: Das System wird bedämpft à Güte sinkt
Welche Unterschiede in der Schaltungsauslegung und im Funktionsprinzip bestehen zwischen einem „erfassenden“ und einem „messenden“ Induktiven Näherungssensor?
Keyboard commands:
= turn,
= for-/backward,
= scroll
• Güteabhängigkeit ßà Induktionsabhängigkeit (Frequenz)
Beschreiben Sie das Funktionsprinzip eines „Kapazitiven Näherungsschal-‐ ters“. Geben Sie den Arbeitsbereich und typische Auslösemedien an.
• Kapazitive Näherungssensoren sind berührungslose Schalter, welche die Verän-‐ derung der Streukapazität zur Signalerzeugung ausnutzen. • Für Sensoranwendungen wird der Kondensator „aufgeklappt“, wegen des großen Feldlinienweges d wird C sehr klein. • Die Kapazität c variiert durch einbringen von Stoffen mit unterschiedlichen Die-‐ lektrizitätskonstanten εr, bzw. durch die Feldlinienverkürzung durch einbringen von elektrisch leitfähigen Materials in den Feldverlauf. • Typischer Messbereich: 0-‐100mm • Stoffe mit sehr hohen Dielektrizitätskonstanten z.B. Wasser (Kapazität wird stark erhöht. Das gilt auch für wässrige Systeme (z.B. Feuchtigkeitsgehalt von Baustof-‐ fen) • Oder metallische Stoffe, weil dadurch die Feldlinien verkürzt werden und damit die Kapazität ebenfalls steigt
Welche Aufgabe hat die Kompensationselektrode eines „Kapazitiven Nähe-‐ rungsschalters“?
• Problem ist das durch die hohe Dielektrizitätszahl eine Benetzung der Sensor-‐ oberfläche mit Wasser nicht ausgeschlossen werden kann. Dadurch kann es selbst bei Kondensatorfeuchtigkeit zu einer Sensorauslösung kommen. • Die Kompensationselektrode sorgt durch die Erhöhung der Gegenkopplung da-‐ für, dass in diesem Fall noch keine Schwingungen einsetzen.
Nennen Sie mindestens drei physikalische Effekte, welche bei der Realisie-‐ rung von Magnetfeldsensoren ausgenutzt werden.
• Induktionseffekt • Hall-‐Effekt • Hall-‐Effekt mit Feldplatte • Magnetoresistiver Effekt (GMR-‐Effekt) • Schnelle Ummagnetisierung (Wurde in der Vorlesung nicht näher erläutert) • Curiepunkt-‐Effekt (Wurde in der Vorlesung nicht näher erläutert)
Erläutern Sie die Problematik der Haupt-‐ und Nebenschaltbereiche bei der Verwendung von Reedkontakten (Skizze!).
• Die Nebenschaltbereiche kommen Zustande, wenn man die Magnetfelder der Reed-‐Kontakte ungünstig anordnet.
Geben Sie typische Schaltzeiten und Positionsgenauigkeiten bei der Verwen-‐ dung von Reedkontakten an.
• Typische Schaltzeiten liegen bei 1ms • Typische Positioniergenauigkeiten liegen bei ±0,1mm
Erläutern Sie die Funktionsweise eines Hallsensors (Skizze!). Welche Mess-‐ größe wird ausgewertet?
• Die Funktionsweise eines Hallsensors beruht auf dem galvanomagnetischen Prinzip. Das beinhaltet, dass bewegte Ladungsträger durch ein senkrecht zur Bewegungsrichtung wirkendes Magnetfeld eine wiederum senkrecht wirkende Kraft erfahren. • Durch den durch ein Hallplättchen geleiteten Strom entsteht, bei anliegendem Magnetfeld durch die Ablenkung, eine Spannung und damit ein resultierendes E-‐ Feld. Dieses liefert die Gleichgewichtsbedingung. • Die Hallspannung wird ausgewertet. (E-‐Feld steigt à Hallspannung steigt)
Erläutern Sie die Funktionsweise einer Feldplatte (Skizze!). Welche Messgrö-‐ ße wird ausgewertet?
• Hierbei handelt es sich um einen magnetfeldgesteuerten Widerstand. Er basiert auf dem Hall-‐Effekt. • In das Grundmaterial des Hallplättchens werden zusätzlich quer zur Stromrich-‐ tung orientierte, metallisch gut leitende Nadeln eingelagert. • Durch die daraus resultierenden Strombahnverschiebungen kommt es bei einem anliegenden Magnetfeld zu starken Widerstandsänderungen. • Durch die gutleitenden Nadeln wird der Stromweg erheblich länger, da die durch die abgelenkten Elektronen entstandenen Hallspannungen sofort kurzgeschlos-‐ sen werden. • Es können extrem schnelle Feldänderungen detektiert werden. Bis zu 10GHz • Die zu messende Größe ist der Widerstand. Er ist proportional zu B2.
Erläutern Sie die Funktionsweise eines GMR-‐Sensors (Skizze!). Welche Mess-‐ größe wird ausgewertet?
• Hierbei handelt es sich um einen quantenmagnetischen Effekt. • Der GMR-‐Sensor ist hochempfindlich und liefert eine magnetfeldabhängige Wi-‐ derstandsänderung. • Der Widerstand fällt mit steigendem Feld. • In ultradünnen Schichten aus magnetischen und nichtmagnetischen Materialen erfährt ein durchgeleiteter Strom in Abhängigkeit der Orientierung der magneti-‐ schen Schichten eine Widerstandsänderung. • Ohne Magnetfeld sind die Schichten durch Spinkopplung antiparallel ausgerich-‐ tet. • Durch die unterschiedliche Streuung der durch ihre Spinzustände charakterisier-‐ ten Elektronen stellt sich ein hoher Widerstand ein. • Bei anlegen eines äußeren Magnetfeldes richten sich die Schichten parallel aus und der Widerstand sinkt.
Skizzieren Sie ein typisches Anwendungsbeispiel für den Einsatz von Feldplat-‐ ten zur Aufnahme von Drehbewegungen ohne bewegte Magnete.
Bild
Was versteht man unter dem „Inversen piezoelektrischen Effekt“?
• Unter dem inversen Piezoelektrischen Effekt versteht man, das umgekehrt pro-‐ portionale Verhältnis zwischen einer Kraft (mechanischer Verzerrung) und der Verschiebung der elektrischen Dipole an der Kristallaußenseite. • Der Effekt kommt zustande, wenn man eine Spannung zur Kristalldeformation anlegt
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Flashcards
Geben Sie Beispiele für typische Komponenten einer „Messkette“ an.
• Wechsel-‐ oder Gleichspannungsbrücke
• Differenzverstärker
• OP-‐Messverstärker
• Gleichrichter
• Demodulatoren
• Filter Referenzspannungs-‐ und Konstantstromquellen
• Brückenversorgung
Aus
welchen Hauptkomponenten setzt sich ein Sensor zusammen?
Bild
Erläutern Sie den Begriff der „Ansprechzeit“. Skizzieren Sie zur Verdeutli-‐ chung den Signal-‐/Zeitverlauf.
Die Ansprechzeit, ist die zeit vom Auftreten der physikalischen Messgröße bis zum Erreichen des resultierenden Signalpegels am Ausgang.
Definieren Sie den Unterschied zwischen „erfassenden“ und „messenden“ Sen-‐ soren.
• Erfassende Sensoren erfassen nur 1.Bit • Messende Sensoren erfassen die komplette Variation der ganzen physikalischen Ausgangsgröße
Erklären Sie die Begriffe „Querempfindlichkeit“ und „Störempfindlichkeit“!
• Querempfindlichkeit bezieht sich nur auf die vom eigenen Sensor ausgehenden Störsignale (z.B. Ultraschall) • Störempfindlichkeit bezieht sich dagegen auf alle äußeren Störeinflüsse (z.B. EMV, Licht, Wärme, etc.)
Erläutern Sie den Begriff der „Schalthysterese“ eines mechanischen Positions-‐ schalters anhand einer Signalskizze. Welche Vorteile hat ein Schalter mit „Springkontakt“ gegenüber einem ohne?
• Als „Schalthysterese“ bezeichnet man den Unterschied zwi-‐ schen Ein-‐ und Ausschaltpunkt. Einfach gesagt ist es das Fort-‐ dauern eines Zustandes nach Wegfall der Anregung. • Der Vorteil eines Schalters mit Springkontakt ist, dass bei ihm die kriechenden (undeutlichen) Schaltzustände erheblich mi-‐ nimiert werden.
Was versteht man unter dem „Vorlaufweg“ eines Schalters?
• Den Weg/Winkel des Betätigers von seiner Freistellung bis zum Schaltpunkt.
Beschreiben Sie das Funktionsprinzip eines erfassenden „Induktiven Nähe-‐ rungsschalters“. Geben Sie den Arbeitsbereich und typische Auslösemedien an.
• Konstruktiv ist ein „induktiver Näherungssensor“ als Oszillator mit offenem Magnetkreis der Induktivität aufgebaut.
• Es wird ein magnetisches Streufeld erzeugt. Durch einbringen von elektrisch o-‐ der magnetisch leitfähigen Objekten in das Streufeld, wird der Schwingkreis be-‐ dämpft, es sinkt automatisch die Güte des Systems und verändert die Eigenschaf-‐ ten des Oszillators.
• Typischer Messbereich liegt zwischen 0-‐10mm • Gut elektrisch oder magnetisch leitfähige Materialien 4.
Wie ändert sich die Oszillatorfrequenz eines messenden „Induktiven Nähe-‐ rungsschalters“ bei Annäherung an einen ferromagnetischen (z.B. Fe, μr > 200) bzw. an einen paramagnetischen (z.B. Al, μr ≈ 1) Stoff? Sind beide als Sig-‐ nalgeber geeignet?
• Eisen einbringen: Induktivität wird größer (System wird verstimmt) à Frequenz f sinkt • Aluminium einbringen: Das System wird bedämpft à Güte sinkt
Welche Unterschiede in der Schaltungsauslegung und im Funktionsprinzip bestehen zwischen einem „erfassenden“ und einem „messenden“ Induktiven Näherungssensor?
• Güteabhängigkeit ßà Induktionsabhängigkeit (Frequenz)
Beschreiben Sie das Funktionsprinzip eines „Kapazitiven Näherungsschal-‐ ters“. Geben Sie den Arbeitsbereich und typische Auslösemedien an.
• Kapazitive Näherungssensoren sind berührungslose Schalter, welche die Verän-‐ derung der Streukapazität zur Signalerzeugung ausnutzen. • Für Sensoranwendungen wird der Kondensator „aufgeklappt“, wegen des großen Feldlinienweges d wird C sehr klein. • Die Kapazität c variiert durch einbringen von Stoffen mit unterschiedlichen Die-‐ lektrizitätskonstanten εr, bzw. durch die Feldlinienverkürzung durch einbringen von elektrisch leitfähigen Materials in den Feldverlauf. • Typischer Messbereich: 0-‐100mm • Stoffe mit sehr hohen Dielektrizitätskonstanten z.B. Wasser (Kapazität wird stark erhöht. Das gilt auch für wässrige Systeme (z.B. Feuchtigkeitsgehalt von Baustof-‐ fen) • Oder metallische Stoffe, weil dadurch die Feldlinien verkürzt werden und damit die Kapazität ebenfalls steigt
Welche Aufgabe hat die Kompensationselektrode eines „Kapazitiven Nähe-‐ rungsschalters“?
• Problem ist das durch die hohe Dielektrizitätszahl eine Benetzung der Sensor-‐ oberfläche mit Wasser nicht ausgeschlossen werden kann. Dadurch kann es selbst bei Kondensatorfeuchtigkeit zu einer Sensorauslösung kommen. • Die Kompensationselektrode sorgt durch die Erhöhung der Gegenkopplung da-‐ für, dass in diesem Fall noch keine Schwingungen einsetzen.
Nennen Sie mindestens drei physikalische Effekte, welche bei der Realisie-‐ rung von Magnetfeldsensoren ausgenutzt werden.
• Induktionseffekt • Hall-‐Effekt • Hall-‐Effekt mit Feldplatte • Magnetoresistiver Effekt (GMR-‐Effekt) • Schnelle Ummagnetisierung (Wurde in der Vorlesung nicht näher erläutert) • Curiepunkt-‐Effekt (Wurde in der Vorlesung nicht näher erläutert)
Erläutern Sie die Problematik der Haupt-‐ und Nebenschaltbereiche bei der Verwendung von Reedkontakten (Skizze!).
• Die Nebenschaltbereiche kommen Zustande, wenn man die Magnetfelder der Reed-‐Kontakte ungünstig anordnet.
Geben Sie typische Schaltzeiten und Positionsgenauigkeiten bei der Verwen-‐ dung von Reedkontakten an.
• Typische Schaltzeiten liegen bei 1ms • Typische Positioniergenauigkeiten liegen bei ±0,1mm
Erläutern Sie die Funktionsweise eines Hallsensors (Skizze!). Welche Mess-‐ größe wird ausgewertet?
• Die Funktionsweise eines Hallsensors beruht auf dem galvanomagnetischen Prinzip. Das beinhaltet, dass bewegte Ladungsträger durch ein senkrecht zur Bewegungsrichtung wirkendes Magnetfeld eine wiederum senkrecht wirkende Kraft erfahren. • Durch den durch ein Hallplättchen geleiteten Strom entsteht, bei anliegendem Magnetfeld durch die Ablenkung, eine Spannung und damit ein resultierendes E-‐ Feld. Dieses liefert die Gleichgewichtsbedingung. • Die Hallspannung wird ausgewertet. (E-‐Feld steigt à Hallspannung steigt)
Erläutern Sie die Funktionsweise einer Feldplatte (Skizze!). Welche Messgrö-‐ ße wird ausgewertet?
• Hierbei handelt es sich um einen magnetfeldgesteuerten Widerstand. Er basiert auf dem Hall-‐Effekt. • In das Grundmaterial des Hallplättchens werden zusätzlich quer zur Stromrich-‐ tung orientierte, metallisch gut leitende Nadeln eingelagert. • Durch die daraus resultierenden Strombahnverschiebungen kommt es bei einem anliegenden Magnetfeld zu starken Widerstandsänderungen. • Durch die gutleitenden Nadeln wird der Stromweg erheblich länger, da die durch die abgelenkten Elektronen entstandenen Hallspannungen sofort kurzgeschlos-‐ sen werden. • Es können extrem schnelle Feldänderungen detektiert werden. Bis zu 10GHz • Die zu messende Größe ist der Widerstand. Er ist proportional zu B2.
Erläutern Sie die Funktionsweise eines GMR-‐Sensors (Skizze!). Welche Mess-‐ größe wird ausgewertet?
• Hierbei handelt es sich um einen quantenmagnetischen Effekt. • Der GMR-‐Sensor ist hochempfindlich und liefert eine magnetfeldabhängige Wi-‐ derstandsänderung. • Der Widerstand fällt mit steigendem Feld. • In ultradünnen Schichten aus magnetischen und nichtmagnetischen Materialen erfährt ein durchgeleiteter Strom in Abhängigkeit der Orientierung der magneti-‐ schen Schichten eine Widerstandsänderung. • Ohne Magnetfeld sind die Schichten durch Spinkopplung antiparallel ausgerich-‐ tet. • Durch die unterschiedliche Streuung der durch ihre Spinzustände charakterisier-‐ ten Elektronen stellt sich ein hoher Widerstand ein. • Bei anlegen eines äußeren Magnetfeldes richten sich die Schichten parallel aus und der Widerstand sinkt.
Skizzieren Sie ein typisches Anwendungsbeispiel für den Einsatz von Feldplat-‐ ten zur Aufnahme von Drehbewegungen ohne bewegte Magnete.
Bild
Was versteht man unter dem „Inversen piezoelektrischen Effekt“?
• Unter dem inversen Piezoelektrischen Effekt versteht man, das umgekehrt pro-‐ portionale Verhältnis zwischen einer Kraft (mechanischer Verzerrung) und der Verschiebung der elektrischen Dipole an der Kristallaußenseite. • Der Effekt kommt zustande, wenn man eine Spannung zur Kristalldeformation anlegt
Beschreiben Sie das Funktionsprinzip eines Piezowandlers beim Senden und beim Empfangen von Ultraschall-‐Wellen.
• Beim Senden wird der inverse Piezo-‐Effekt ausgenutzt • Beim Empfangen wird der Piezoeffekt ausgenutzt
Warum sollten US-‐Wandler nicht in Ex-‐geschützen Bereichen verwendet wer-‐ den?
• Weil die erforderlichen Spannungen um den Kristall anzuregen, bei mehreren 100V (Hochspannung) liegen können.
Nach welchen Prinzipien erfolgt die Wegmessung mit US-‐Wandlern? Was ist bei bewegten Objekten zu beachten?
• Die Wegmessung erfolgt bei US-‐Wandlern über die Laufzeit. • Bei bewegten Objekten ist der Dopplereffekt zu beachten.
Welche Maßnahmen werden bei US-‐Wandlern getroffen, um die Problematik des „Echos vom Echo“ zu lösen?
• Um sicherzustellen, dass es zu keinem „Echo vom Echo“ kommt wird die 5-‐fache Zeit gewartet bis ein neues Echo ausgesendet wird. • Nach der 5 fachen Zeit ist die Intensität des 5 Echo so gering, dass es problemlos von dem neuen unterschieden werden kann.
Nennen Sie zwei Möglichkeiten, um die gegenseitige Beeinflussung von sich gegenseitig „sehenden“ US-‐Wandlern auszuschalten (Schlagworte und Erklä-‐ rung!).
• Synchronisation: o • Multiplexverfahren: o
Geben Sie eine typische OPV-‐Schaltung zur belastungsfreien Spannungsab-‐ nahme am Schleifer eines Linearpotentiometers an (Skizze Poti mit OPV).
Bild
Welche technische Lösung wird bei hermetisch gekapselten Linearpotentio-‐ metern realisiert, um eine berührungslose Betätigung des Schleifers zu er-‐ möglichen?
• Die hermetisch gekapselten Linearpotentiometer sind mit Magnetkupplungen versehen. Dadurch können Sie auch berührungslos geschaltet werden.
Beschreiben Sie das Funktionsprinzip eines LVDT’s. Warum ist das Ausgangs-‐ signal nicht eindeutig? Durch welche Maßnahme wird dieser Mangel beho-‐ ben?
• Das Funktionsprinzip beruht auf der Veränderung der Kopplung von drei Spulen => Transformatorprinzip • Die Primärwicklung wird mit einer (Erregerspannung oder Primärspannung) ge-‐ speist. • Diese Wechselspannung wird über den Kern in die beiden Sekundärwicklungen induziert. (Phasenverschiebung beachten!!!) • In Abhängigkeit von der Stellung des Kerns verändert sich die Ausgangsspan-‐ nung • Schaltung à Synchroner Demodulator
Welches ist der Hauptvorteil eines LVDT’s mit ungeführtem Anker gegenüber den anderen Ausführungen?
• Bei exakter Justierung längst der Bohrung => reibungsfreies System • Keine Losbrechkräfte • Kraftfreie Bewegung
Welche Einschränkungen sind bei der Verwendung eines LVDT-‐Tasters zur Erfassung dynamischer Vorgänge zu beachten?
• Grenzfrequenz beschränkt die Verwendung des Taster • Die Abtastung muss soweit reduziert werden bis keine Resonanzen mehr „in der Nähe“ sind
Lichtschranken werden i.d.R. mit LED’s als Lichtquellen betrieben. Durch wel-‐ che technische Maßnahme lässt sich deren Bandabstand – und damit der ver-‐ wendbare Spektralbereich – verändern?
• Der Bandabstand und der damit verwendete Spektralbereich lassen sich nur durch verschiedene Halbleitermaterialien verändern. o Galliumphosphid (GaP) o Alluminiumgalliumarsenid (AlGaAs) o Indiumgalliumarsenid (InGaN)
Nennen Sie mindestens drei Vorteile, einer LED gegenüber einer Glühlampe.
• Niedrige Energie • Hohe Lebensdauer • Effektiver (heller) • Kleiner
In welcher Betriebsart (Arbeitspunkt) liefert eine Fotodiode ein der Bestrah-‐ lungsstärke proportionales Signal (ggf. Skizze des 4-‐Quadranten-‐Diagramms)?
• Im Kurzschlussfall (blau) liefert die Fotodiode einen über viele Zehnerpotenzen linear von der Beleuchtungsstärke abhängigen Strom. • Über einen Impedanzwandler kann der Strom dann in eine proportionale Span-‐ nung umgewandelt werden.
In welchem Fall ist es erforderlich, eine Fotodiode mit Vorspannung in Sperr-‐ richtung zu betreiben?
• Wenn man eine schnelle Reaktionszeit benötigt (ultraschnelle Laserblitze) • Das Anlegen der Sperrspannung führt zu: o Verringerung der Sperrschichtkapazität Cs o einer Verstärkung des Fotostroms o Ansteigen des Reststroms § Verschlechterung der Linearität
Erläutern Sie den Unterschied zwischen Lichtschranken und Lichttastern!
• Lichtschranke: erfassender Sensor (Nur ein Bit) • Lichttaster: messender Sensor à Lichtmenge am Ausgang à muss im Einzelfall kalibriert werden
Welches sind die Vorteile und Nachteile von Einweg-‐Lichtschranken gegen-‐ über Reflex-‐Lichtschranken?
• Vorteil: sehr hohe Entfernungen • Nachteil: aufwendige/komplexe Justierung/Ausrichtung 18.
Was versteht man unter dem Begriff „Funktionsreserve“ beim Einsatz von Lichtschranken? Welche technischen Maßnahmen werden beim Schaltungs-‐ design ergriffen um diese zu realisieren?
• Der Begriff „Funktionsreserve beschreibt die Fähigkeit einer Lichtschranke, auch bei Verschmutzung, geringer Dejustage der Strahlführung, ungünstigen Objektre-‐ flexionen etc. funktionsfähig zu bleiben. • Bei dem Schaltungsdesign wird zum Beispiel eine dynamische Verstärkungsregu-‐ lierung eingesetzt. Welche die oben genannten Mängel ausgleicht. Zugleich wird ein Signal über das System an Nutzer gesendet (Reinigung/Neujustage). • Des Weiteren werden heute LED’s im roten sichtbaren Bereich eingesetzt und nicht wie früher IR-‐LED’s
Warum werden als Reflektoren für Reflex-‐Lichtschranken keine einfachen Spiegel eingesetzt? Welche Arten von Reflektoren für Lichtschranken kennen Sie? Beschreiben Sie das Funktionsprinzip.
• Bei einfachen Spiegeln ist das Problem, dass die Spiegel nicht orthogonal sind. Das Signal wird also nach der Reflexion nicht zurück auf den Detektor reflektiert. • Abhilfe schafft der Tripple-‐Reflektor: o Dieser arbeitet nicht nach dem Spiegelprinzip, sondern nach dem Prinzip der totalen Reflexion. o Reflexionselemente sind dreiseitige Glas-‐ oder Kunststoffpyramiden, wel-‐ che in einer symmetrischen Matrix angeordnet sind. o Üblicher Weise auch Oberflächen, welche dicht mit feinen Glaskugeln be-‐ legt sind. • Der Vorteil des Triple-‐Reflektors liegt darin, dass geringe Winkelversätze senk-‐ recht zur Strahlrichtung ausgeglichen werden können.
Wie vermeidet man bei der Detektion hochglänzender Objekte Fehlschaltun-‐ gen? Skizzieren Sie den erforderlichen Strahlengang sowie ggf. zusätzlich notwendige Elemente und erläutern Sie deren Funktion.
• Glänzende Oberfläche führen in Reflexionsschranken zu Fehlschaltungen, da sie genau so viel Licht reflektieren wie der Tripelreflektor. • Deshalb wird mit polarisiertem Licht gearbeitet. • Funktion: o Der Polarisator erzeugt Licht in einer Schwingungsebene. o Am Tripelfilter bleibt die Polarisation erhalten es wird aber um weitere 90° gedreht. o Der Analysator erhält solange „richtiges“ Licht, bis durch ein Streuobjekt beliebig polarisiertes Licht erzeugt wird. o Der richtige Lichtanteil ist auf Grund der Gleichverteilung der Schwin-‐ gungsrichtungen zu gering à Das Objekt wird erkannt.
Nachteil beim Einsatz von Reflextastern ist deren Fremdlichtanfälligkeit. Wie wird dieses Problem technisch gelöst? Nennen Sie zwei Möglichkeiten!
• Es werden modulierte Lichtquellen eingesetzt. • Hintergrundausblendung durch Multidetektorsysteme (Triangulation).
