WING - Sensoren und Aktoren

- Erfassen

- Überwachen

- Dokumentieren

Ein Aktor setzt elektrische Signale in mechanische oder physische Bewegung um. Wird auch als Macher/Stellglied bezeichnet. Durch den Aktor wird die physikalische Grösse verändert, indem der Aktor in den Prozess eingreift.

betätigen

stellen

bewegen

• erfasste physikalische Grösse
• Aufgabe
• physikalisches Wirkprinzip 
• Informationsträger des Ausgangssignals (analog / digital)

• Mechanisch
• Thermisch
• Optisch
• Chemisch
• Akustisch

• Messaufgabe: Messbereich und Genauigkeit
• Störungen: Beeinflussung durch andere Messgrössen
• Zeitliches Verhalten: Lebensdauer und Verschleiss
• Kosten: Einzelkosten und Wartungskosten
• Systemintegration: Weiterverarbeitung des Signals, Anzeige, Bedienung, Konfiguration)

• resistiv
• elektrochemisch
• Magnetoelastisch
• Optoelektronisch
• Piezoelektrisch
• piezoresistiv
• kapazitiv
• induktiv
• magnetfeld

COULOMB: Körper mit gleicher elektrischer Ladung stossen sich ab (FI-Schutzschalter)

BIOT-SAVARD: Stromdurchflossene Leiter im Magnetfeld erfahren eine Kraft (Elektromotor)

CURIE: Asymmetrien im Kristallgitter bestimmter Kristalle führen bei Anlegen äusserer Spannungsfelder zu Verschiebungen (umkehrbar und reversibel, Piezo-Aktoren)

JOULE: Ausgewählte Legierungen (z.B. Eisen / Nickel) verspannen sich im Magnetfeld und ändern ihre Abmessungen (Wurm-Motor)

HERON: Körper dehnen sich bei Erwärmung aus (Bodenheizunsaktoren)

OULOMB:

• Messgrösse
• Baugrösse
• Fertigungstechnik
• Einsatz- und Verwendungszweck
• Wirkungsweise beim Umformen der Messgrössen
  • Passive Sensoren
  • Aktive Sensoren
  • Digitale Sensoren
• Messprinzip/Wirkprinzip
  • Induktive Sensoren
  • Kapazitive Sensoren
  • Temperatursensoren
  • Elektrochemische Sensoren

• Standards

NAMUR, KTA, Automotive…

• Lebenswissenschaften (Biologie, Pharmazie, Medizin)
• Naturwissenschaften (physikalische Prozesse, Raumfahrt)
• Automatisierte Prozesse (Signalgeber Steuerung und Regelung)
• Robotik

• Beeinflussbare Grösse
  • Temperatur
  • Drehbewegung
  • Lineare Bewegung
• Baugrösse (z.B. Mikroaktoren)
• Aktor/Wirkprinzip
  • Fluidtechnische: Hydraulik- und Pneumatikzylinder
  • Bimetall
  • Piezoelektrische
  • Induktiv arbeitende Elektromotoren
  • Elektromechanische Aktoren
  • Thermomechanische Aktoren (Thermostat, Dehnelement)

• Lebenswissenschaften
  • Biologie
  • Medizin
  • Pharmazie
• Naturwissenschaften
  • Astronomie
  • Raumfahrt
• Automatisierte Prozesse
  • Steuerung der Grössen
  • Gebäudeautomation
• Robotik
  • Zur Aufnahme der Signale die den Roboter steuern

Der Sensor erfasst physikalische oder chemische Grössen und wandelt diese in ein elektrisches Signal um. Somit entnimmt der Sensor Daten aus dem Prozess. Durch eine Informationsverarbeitung wird, falls notwendig, ein Signal an den Aktor gegeben und dieser greift in den Prozess ein.

Diejenige Baueinheit, die aus einem (mechanischen) Umsetzelement und einem elektrischen Sensorelement besteht, heißt Elementarsensor oder Messwertaufnehmer

Eine physikalische Zustandsgrösse, welche den Zustand eines physikalischen Systems beschreibt. Beispielsweise Druck, Temperatur, Beschleunigung oder Kraft.

Ist ein analoges Signal und daher im gesamten Messbereich zeitkontinuierlich (statisch, Dynamisch)

Sind Amplitudendiskret oder nur zeitdiskret oder beides.

Wandelt die Messgrösse in eine primäre elektrische Grösse um.

Setzt eine nicht elektrische Messgrösse in eine elektrisch auswertbare Grösse um.

Besteht aus einem mechanischen Umsetzelement und einem Sensorelement.

Eine nicht elektrische Messgröße (z.B. mechanische Kraft) wird von einem mechanischen Umsetzelement (z.B. Biegebalken) aufgenommen und in eine andere mechanische Größe (z.B. mechanische Dehnung) umgesetzt. Ein Sensorelement (z.B. Dehnmessstreifen) erzeugt aus der mechanischen Größe (z.B. Dehnung) eine elektrisch auswertbare Größe (z.B. eine elektrische Widerstandsänderung).

Elementarsensor.

Setzt die Messgrösse in ein standardisiertes Signal um.

Ist ein Integrierter Sensor mit rechnergesteuerter Auswertung und digitalisierter Ausgabe.

Der Sensor besteht aus einem Elementarsensor und einer Signalaufbereitungselektronik, welche aus einem elektrischen Signalumformer und einer elektronischen Signalanpassung besteht.

Der Elementarsensor setzt eine nicht elektrische Messgröße (z.B. mechanische Kraft) in eine elektrisch auswertbare Größe (z.B. elektrischer Widerstandsänderung) um. Ein elektrischer Signalumformer (z.B. elektrische Widerstandsmessbrücke) setzt die elektrisch auswertbare Größe (Widerstandänderung) in eine elektrische Größe (elektrische Spannung) um. Eine elektronische Signalanpassung (z.B. Gleichspannungsverstärker) erzeugt den gewünschten Spannungswert, der dann elektronisch weiter verarbeitet werden kann. 

Messen: Messwert einer physikalischen Grösse wird bestimmt. (Messwert + Masseinheit)

Messprinzip: Physikalischer Effekt, welcher für die Durchführung verwendet wird.

Messverfahren: Praktische Anwendung eines Messprinzips.

Messmittel: Technische Vorrichtung für Erfassung von Messgrössen und Signalen.

Messaufbau: Technische Realisierung eines gewählten Messverfahrens.

Messergebnis: Eine oder mehrere Messwerte mit Angabe der jeweiligen Messabweichung.  

• Objektiv (wiederholbar)
• Quantitativ (in Zahlen ausdruckbar)
• Logisch (sinnvoll und wissenschaftlich nachvollziehbar)

Die Abweichung hat ein Vorzeichen und die Einheit der Messgrösse. Abweichung ist im Messobjekt als auch im Messmittel vorhanden.

• Messobjekt
• Messfühler
• Messgrössenumformer
• Messverstärker
• Messwertverarbeitung

Die Messkette beschreibt die Verarbeitung des zu messenden Wertes vom Sensor bis zur Weiterverarbeitung.

Hat viele Namen, z.B. Empfindlichkeit.

Ein Sensor mit einem hohen Übertragungswert ist in der Lage, genaue und präzise Messungen durchzuführen und diese Messwerte zuverlässig über das elektrische Signal zu übertragen. Ein niedriger Übertragungswert kann zu Ungenauigkeiten, Nichtlinearitäten oder geringer Auflösung führen, wodurch die Messwerte verfälscht oder ungenau werden können. Daher ist ein hoher Übertragungswert für viele Anwendungen wichtig, um genaue und zuverlässige Messungen zu gewährleisten

An einem Widerstandskörper wird eine Änderung des elektrischen Widerstands R durch die zu erfassenden mechanischen Grössen bewirkt. 

Es gibt:

• positionsresistive Sensoren

• dehnungsresistive Sensoren

Beim Linearpotentiometer werden die Widerstandsdrähte längs angebracht, und der Schleifer bewegt sich auch längs. Beim Winkelpotentiometer sind die Wicklungen kreisförmig angeordnet und der Schleifer bewegt sich im Kreis herum.

Wird ein Festkörper axial mit einer mechanischen Kraft F belastet, ändern sich 1. seine geometrischen Grundabmessungen (Länge l und Querschnittsfläche A), 2. sein spezifischer elektrischer Widerstand r 

Der 1. Fall ist ein geometrischer, der 2. Fall ein festkörperphysikalischer Effekt. Beide Effekte treten gleichzeitig auf, wobei in Metallen der geometrische und in Halbleitern der festkörperphysikalische Effekt dominiert.

Metalldraht und Metallfolien aus bsp. Konstantan, NiCr, Chromel, Platin-Iridium, bzw. Halbleiter wie Silizium und Germanium

Dehnungsmessstreifen

• Beschleunigungssensoren
• Differenzdrucksensor
• Sitzbelegungserkennung