Sensoren für Drehzahl, Geschwindigkeit, Beschleunigung und Position im Raum

Kompendium Messtechnik und Sensorik, Teil 8

Jörg Böttcher

• Verlag: Books on Demand
• Jahr: 2019
• eBook-ISBN: 9783749466559
• Auflage: 1
• Thema: Technik & Maschinenbau
• Thema: Elektrotechnik & Telekommunikation

Das E-Book behandelt in kompakter Form Aufbau und Funktion von Sensoren für das Messen von Drehzahlen, Geschwindigkeiten, Drehraten, Beschleunigungen und Positionen im Raum in folgenden Abschnitten: - Drehzahlsensoren- Geschwindigkeitssensoren- Drehratensensoren- Beschleunigungssensoren- Inertiale Messeinheiten (IMU)- SatellitennavigationssystemeAußerdem ist ein Verzeichnis mit in der Messtechnik und Sensorik häufig verwendeten Abkürzungen enthalten.Es stellt den Teil 8 des Kompendiums Messtechnik und Sensorik dar. Das Kompendium versteht sich als Grundlagenüberblick zwischen rein akademischer Theorie und ausschließlich gerätebezogener Anwendungspraxis. Es möchte auf effiziente Art das notwendige Basis-Know-how vermitteln, um messtechnische Aufgabenstellungen auf einer fundierten Grundlage selbständig anzugehen. Es wendet sich einerseits an im Beruf stehende Ingenieure, Techniker und Naturwissenschaftler, die messtechnische Systeme einsetzen. Andererseits an Studierende und Lehrende in technischen Bachelor- und Masterstudiengängen bzw. an Techniker- und Meisterschulen.Zu den Kompendiumsinhalten ist ein Multiple Choice-Test unter www.messtechnik-und-sensorik.org frei verfügbar. Wer diesen besteht, kann ein vom Autor Prof. Dr.-Ing. Jörg Böttcher unterzeichnetes Fortbildungszertifikat gegen eine zusätzliche Gebühr erwerben.

Sensoren für Drehzahl, Geschwindigkeit, Beschleunigung und Position im Raum

Im letzten Kapitel haben wir uns mit der Bestimmung geometrischer Größen durch Sensoren beschäftigt. Unter anderem spielte die Messung des Abstands zu einer Bezugsoberfläche dabei eine größere Rolle. In diesem Kapitel wollen wir nun Sensoren betrachten, welche die dynamische Änderung derartiger geometrischer Größen bezogen auf die Zeit auswerten. Es geht also um Messgrößen wie die Geschwindigkeit bzw. deren zeitbezogene Änderung, die Beschleunigung.

Diese Größen beziehen sich auf lineare Bewegungen. Speziell bei rotierenden Systemen wollen wir Sensoren für die Messung der Winkelgeschwindigkeit, die in der Sensorik auch als Drehrate bezeichnet wird, betrachten. Aufgrund ihrer großen Bedeutung auch bei der Geschwindigkeitsmessung linearer Bewegungen beginnen wir unsere Ausführungen mit Drehzahlsensoren. Den Abschluss des Kapitels bildet ein kurzer Überblick über Sensorsysteme zur Bestimmung der Position im Raum, worunter sog. inertiale Messsysteme sowie Satellitennavigationssysteme fallen.

Drehzahlsensoren

Bild 1 zeigt die zwei vorherrschenden Sensorprinzipien zur Ermittlung der Drehzahl n . n ist die Anzahl der Umdrehungen pro Zeiteinheit, wird also z.B. in min ^-1 angegeben oder häufiger auch in der Form U/min. Im Bild links ist zunächst ein Tachogenerator gezeigt. Hierbei handelt es sich um einen meist als kleinen Wechselspannungsgenerator ausgeführten Sensor. Solche Anordnungen bestehen im einfachsten Fall aus einem umlaufenden Dauermagneten (Rotor), der in einer außenseitig angebrachten Spule (Stator) bei jedem Umlauf eine sinusförmige Welle erzeugt. Oftmals werden mehrere Dauermagnete mit entsprechenden Spulen kombiniert, wie dies im Bild auch durchgeführt wurde. Insbesondere die vom Tachogenerator bei niedrigeren Drehzahlen erzeugten Wechselsignale lassen sich dann leichter weiterverarbeiten. Das Ausgangssignal u(t) eines Tachogenerators entspricht näherungsweise einem Sinussignal gemäß

(Formel 1)

Die Amplitude ist dabei umso größer, je schneller rotiert wird. Sie wächst proportional mit der Drehzahl n :

(Formel 2)

Mittels einer einfachen Schaltung, der sog. Spitzenwertgleichrichtung, kann bereits im Sensor oder in einer externen Auswerteelektronik die Amplitude direkt in ein Gleichspannungssignal umgewandelt werden. Oder - und das ist die meist verwendete Variante - man nimmt eine Effektivwertmessung des Wechselspannungssignals vor. Amplitude und Effektivwert eines Sinussignals sind über die Wurzel aus 2 fest miteinander verknüpft.

Bild 1: Tachogenerator und Impulsgeber als Drehzahlsensoren

Rechts in Bild 1 ist die Drehzahlmessung über Impulsgeber dargestellt. Hier werden an der Oberfläche des rotierenden Teils befindliche Strukturen abgetastet und als Impulssignal ausgegeben. Dies kann wie im Bild angedeutet durch eine Art Zahnradstruktur passieren. Beim Vorbeilauf eines Zahns am Sensor wird ein vom Sensor erzeugtes magnetisches oder elektrisches Feld verändert, was entsprechend detektiert werden kann. Eine Möglichkeit ist, einen Hall-Sensor zu verwenden, der über einen Dauermagnet vorgespannt wird. Beim Durchlaufen des aus einem magnetischen Material bestehenden Zahns ändert sich das Magnetfeld am Ort des Hall-Sensors, was wie beim magnetischen Abstandssensor im vorherigen Kapitel bei konstantem Stromfluss eine Ände...

Inhaltsverzeichnis

• Vorwort
• Sensoren für Drehzahl, Geschwindigkeit, Beschleunigung und Position im Raum
• Abkürzungen aus der Messtechnik und Sensorik
• So geht es weiter
• Multiple Choice-Test und Fortbildungszertifikat
• Impressum