Mechatronische Komponente

Einteilung nach der Art des Informationskanals zur Weiterleitung der Information

• mechanische

• pneumatische/ hydraulische

• elektrische

Einteilung nach der Art der Messgrößen

• Weg/ Winkel/ Kraft

• Beschleunigung

• Temperatur

• Gas

Einteilung nach der Art der Wirkprinzipien

• galvanische

• ohmsche/ kapazitive/ induktive

• optoelektronische

• thermoelektrische

• magnetische

—> Ausschließöiche Betrachtung von Sensoren, die ein elektrisches Ausgangssignal liefern

Sensor -> erfasst die Messgröße unmittelbar (Druckmesszelle)

Aufnehmer -> ergänzt sensorelement zu einem vollständigen, aber “rohen” Messgerät - also z.B durch Hinzufügen von mech. Aufnahme & Abgleichelemente für Null- und Endpunkt (Druckaufnehmer)

Transmitter -> Aufnehmer + Elektronik für Einheitsausgangssignal (Drucktransmitter)

Kalorimetrisch - thermisch

Beheizter Sensor wird durch durchströmende Flüssigkeit abgekühlt

Grad der Abkühlung ist direkt proportional zur vorbeiströmenden Masse

Fließgeschwindigkeit und Medientemperatur sind messbar

Aktiv, self generating: Wandlung von nichtelektrischer Energie in elektrische Energie (Thermoelement)

passiv, non- self generating: Modulation eines elektrischen Energieflusses durch elektrische Bauelemente, wobei die nichtelektrische Größe bestimmte Parameter dieser Bauelemente beeinflusst und damit ein elektrischer Signal moduliert (Messbrücke/ Wheatstone-Brücke)

wichtige Hilfsmittel, um kleine Widerstandsänderungen zu messen

signaländerung ist groß

gleichsinnige Störeffekte auf die Widerstände wirken sich (fast) nicht auf das Signal aus

Alle Widerstände gleich groß -> Ud = 0V (Ideale Messbrücke)

Reale Messbrücken haben nie einen Nullpunkt von exakt 0 mV

Einzelne Widerstände haben Temperaturkoeffizienten -> Brückennullpunkt wird temperaturabhängig

Einzelne Widerstände ändern ihren Wert -> veränderliche Brückenspannung wird gemessen

Grundprinzip: Der Widerstand R hängt vom spezifischen Widerstand p und der Geometrie (Länge und Fläche) ab. Zusätzlich von dem Temperaturkoeffizienten

Mess-Schaltungen:

• Spannungsteiler

• Brückenschaltung

• Vierleitertechnik

• Operationsverstärkerschaltung

Arten:

• Potentiometrische Längs- oder Dreh-Messfühler

• Metall- oder Halbleiter- Dehnungsmesstreifen

• Widerstandsthermometer: PTC, NTC

• Fotowiderstand, Fotodiode

Anwendung: Weg-, Winkel-, Füllstandsmessung

(Tankanzeige)

Widerstandsmaterialien: Konstanten Draht, Karbonfilme, Leitplaste

Lebensadauer: 10^6 Bestätigungen, Schleifer Belastung beachten

Bei der Auswahl der Messschaltung:

• Schleiferübergangswiderstand beachten

• Spannungsteiler nicht belasten (Spannungsfolgerschaltung)

Materialien:

• Drahtpoti: hohe Stromfestigkeit, geringe temperturempfindlichkeit, geringes rauschen

• Schichtpoti: sehr dünn, temperaturempfindlichkeit, hohe Betätigungszahl

Schleifermaterialien z.B. aus edelmetallen, um konstante Übergangswiderstände zu realisieren

thermisches Rauschen: Thermische Bewegung von Ladungsträger in Schaltkreisen auch ohne äußeres Feld. Thermisches Rauschen ist weißes rauschen

Stromrauschen: Material mit Korngrenzen setzt Ladungsträgern Potentialbarrieren entgegen

Ur = Wurzel (4* T* K* R* B)

K->Boltzmann - Konstante

T -> temperatur in kelvin

B -> Messbandbreite in Hz

niedrige Kosten

einfacher, übersichtlicher Aufbau

sehr großer Messeffekt (Messhub = Versorgungsspannung)

keine Elektronik erforderlich

gute Störspannungsfestigkeit

weiter Betriebstemperatur (<250)

Mechanischer Verschleiß durch Abrieb

Messfehler durch Abriebreste

Probleme bei Betrieb in Flüssugkeit

Rauschen

begrenzte Miniaturisierbarkeit

Prinzip: Elektrischer Leiter wird gedehnt -> Widerstand steigt

Häufige Anwendung in Messaufnehmern für Kraft & Druckmessung und der experimentellen Spannungsanalysen

Entscheinender Parameter: Dehnung des verwendeten Materials

DMS werden häufig aufgeklebt

Absolutenänderung:

• positive Kraft -> Längenänderung +l

• negative Kraft -> Längenänderung -l

relative Längenänderung:

• Verhältnis zwischen absoluter Längenänderung und Basislänge

• wird Dehnung E genannt = l/l0

mechanische Spannungen werden über DMS ermittelt, um die maximalen Belastungen oder Lebensdauer einer Materials zu ermitteln

Spannung & Dehnung hängen über das Spannungs-Dehnungs-Diagramm zusammen

typische max Dehnung bei Sensoren E=10^3

Einachsiger Spannungszustand: In Zug und Druckstäben (Druck und Zug)

Zweiachsiger Spannungszustand (Ebene): kräfte durch die Spannungen sind senkrecht zueinander

Dreiachsiger Spannungszustand (Räumlich): Kräfte greifen aus Beliebigen Richtungen an

Eigenspannungen & Wärmespannungen werden ebenfalls durch den DMS erfasst

DMS kann nur an geraden Flächen angebracht werden -> Kerben nicht zugänglich

Halbleiter DMS

Metall DMS

Dünnfilm DMS

Draht DMS aus dünnen (25 micrometer) Konstanten Drähten

Folien DMS aus metallisierter Kunststoff-Folie (Herstellung vergleichbarer mit gedruckten Schaltungen)

Anwendungsbereich

Strombelastung

Temperaturbereich

Dynamische Beanspruchung

Dehnungsempfindlichkeit (k-Faktor): k * E = (delta R)/R

Dehnbereich

Querempfindlichkeit: Widerstand ändert sich auch bei Dehnung quer zur aktiven Richtung

ist bei einachsiger Spannung im k-Faktor berücksichtigt & macht keine zusätzlichen Fehler

erschwert bei komplizierten Spannungsfeldern die Interpretation

= DMS unter statischer Dehnung; trotzdem zeitliche Veränderung des Widerstands in Richtung “Entlastung”

Für Messaufnehmer werden meist Dünnschicht DMS verwendet -> kein kriechen

Anwendbar bei drücken zwischen 2 und 500 bar, sehr robust (anwendung im Verbrennungsmotor)

gibt es in vielen Sensorprinzipien

das verhältnis zwischen druck und signal ist nicht linear (schwer zu errechnen) da die Membran mit zunehemenden Druck steifer wird

abhilfe kann durch eine in der mitte verstärkte Membran geschafft werden

ämderung der Wirkung, die verzögert gegenüber der Veränderunf der Ursache auftritt

Bei der Strahlmembran führen mikroplastische Effelte (Korngrenzen Verschiebung) zu einer untersch. Kennlinie bei ansteigendem und abfallendem Druck

Durch die Verschiebung der Grenzen ändert sich das Gefüge des Materials ständig weshalb die Kennlinien leicht verschieden sind

Hocher k-Faktor

kleine Hysterese

sehr dünne membran

k-faktor & temp. koeffizient sehr temperaturabhängig

elektrisches Bauelement, welches die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands eines elektrischen Leiters zur Messung der Temperatur nutzt

Funktion: In Metallen sind Valenzelektronen frei beweglich, bei anstiegender Temperatur steigt die Anzahl der Kollosionen von Valenzelektronen mit Metallionen -> mittlere freie Weglänge wird reduziert & Widerstand steigt

Für Ro bei To = 0°C —> RT=Ro[1+αT+βT2]

Raumtemperatur RT = R20 [1 + α20 * ∆T]

Arten: Platin, Nickel, Silizium und Heißleiter/ Kaltleiter

Anwendung: Motorschutz (Temperatutmessung in der Wicklung, einfache Temperaturmessung)

Standard sind Platinwiderstände mit 100, 500, 1000 Ohm, also Pt100

• Diese sind breiteinsetzbar und leicht wechselbar

• Temperaturbereich zwischen —200°C und 800°C

Alternativ werden Nickelwiderstände eingesetzt, z.B in der Dünnschichttechnik, diese haben jedoch

einen niedrigen Temperaturmessung von —40°C bis 180°C

Kaltleiter —> PTC —> R steigt bei steigender Temperatur

• Bestehen aus halbleitendem ferroelektrischem Material

• Oberhalb einer bestimmten Temperatur wird der Effekt der Ferroelektrizität wirksam, d.h. die einheitliche Ausrichtung der Kristallite löst sich auf —> dies führt in einem schmalen Temperaturbereich zum exponentiellen Anstieg von R

• Ferroelektrisch —> elektrische Dipole liegen vor die Oberhalb einer kritischen Temperatur (Curie Temperatur) ihre Ordnung aufgeben

Heißleiter —> NTC —> R fällt bei steigender Temperatur

• Probleme von Widerstandsthermometern: Eigenerwärmung und Zuleitungswiderstände der Vierleitermessung

Lorentz Kraft

• erzeugt Hall spannung

• erzeugt widerstandserhöhung durch Weglängenvergrößerung

• Anwendung: Magnetabhängige Widerstände in Kombination mit Permanentmagneten finden sich in Positions-, Winkel- und Drehzahlmessern

aus Halbleitern aufgebaute Sensoren, die auf Magnetfelder durch eine Änderung des elektrischen Widerstands reagieren, also auf einem magnetoresistiven Effekt

Grundlage der optoelektronischen Sensorelemente ist der innere photoelektrische Effekt

Photoelektrische Effekt: 3 Prozesse der Wechselwirkung zwischen Photonen und Material

Der Innere Photoelektrische Effekte tritt nur in Halbleitern auf

Photon mit “passender” Energie regt Elektron aus Valenzband ins Leitungsband an

Verwendung: Fotowiderständen, Fotoelemente, Fotodioden, Fototransistoren

Anwendung: Lichtschranken, Regen-, Schmutzsensoren

durch einfallendes Licht bilden sich Ladungsträgerpaare, den Leitwert erhöhen

Nachteil: Langlebigkeit

Im Prinzip:

Zwischen Photoelement, Photodiode (Lichtempfindlicher Sensor) und Phototransistor besteht kein prinzipieller unterschied. Sie nutzen alle den Photostrom bzw. die Leerlaufspannung die bei beleuchteten PN-Halbleiterkontakten als Messeffekt

2 Varianten:

Photoelement: Ohne Vorspannung, Leerlauf oder Kurzschlussbetrieb

Photodioden, Phototransistoren: Mit Vorspannung Us in Sperrschicht

eignen sich hervorragend zur hochgenauen Positionsermittlung

Unterscheidung zwischen Induktiver Messfühler und Induktiver Näherungsschalter

Induktive Messfühler: funktionieren für alles, da sie auf Kontakt reagieren

Bestehen aus Gehäuse, Primärspule, 2 Sekundärspulen, sowie einem bewglichen Stößel

Stößt das Material an den Stößel an, so verschiebt sich der magnetische Kern innerhalb der Spulen

dadurch ändert sich Induktivität der Spule

Sensor kann sowohl lineare als auch rotatorische Bewgungen erfassen

funktioniert berührungsfrei auf Annäherung eines leitenden oder nichtleitenden Gegenstands, aber auch von Flüssigkeiten. Durch die die sich ändernde Kapazität einer Messelektrode zur Refernzelektrode reagiert er mit einem Schaltsignal

z.b kapazitives Display am Handy, Feuchtsensor

ist ein paar aus metallischen Leitern unterschiedlicher Materialien, die an einem Ende verbunden sind und aufgrund des themoelektrischen Effektes zur Temperaturmessung geeignet sind

Elektronen treten aus Material mit niedriger Austrittsarbeit in das Material mit der höheren, bis das entstehende elektrische Feld dem Diffusionsstrom entgegenwirkt

Die Ladungstrennung führt an der Berührungsschicht zu einer temperaturanhängigen Konstanten Spannung Uk

Prinzip: Typische Materialpaarung

Anwendung: Günstige genaue Temperaturmessung in industriellem Umfeld

Ausgleichsleistung: Bestehen aus Material mit gleichen thermoelektrischen Eigenschaften in eingeschränkten Temperaturbereichen. Sie dienen z.B dazu, das Signal außerhalb des Ofens weiterzuführen (keine Verfälschung an der vergleichsweise kalten Kontaktstelle) bei geringeren Materialkosten

Leiter beliebigen Materials, die in eine Thermokette geschaltet sind, beeinflussen die Thermospannung nicht, wenn beide Verbindungsstellen des Leiters die gleiche Temperatur haben

Verbindungsstellen zwischen Leiter thermoelektrisch gleichen Materials beeinflussen die Thermospannung auch dann nicht, wenn die Verbindungstelle verschiedene Temperaturen haben

Die Art der Verbindung beeinflusst die Thermospannung nicht

Vorteile: kleine Messtelle, einfache Befestigung, billig, robust

Nachteile: Empfindlichkeit gering, Signal klein

Vorteile: Empfindlichkeit groß, gute Genauigkeit

Nachteile: thermische Kontaktierung schwierig, relativ groß

Vorteile: Empfindlichkeit groß, kleine Messtelle

Nachteile: Genauigkeit sehr gering

Halleffekt: Anlegen einer elektrischen Spannung in einem Stromdurchflossenen Leiter, der sich in einem Magnetfeld befindet

wird ein Stromdurchflossenens Plättchen senkrecht von einer Induktion durchsetzt, werden die Ladungsträger durch die Lorentzkraft senkrecht zum Feld und zum Strom aus ihrer Bahn abgelenkt

Sensoren: Mechanische Kompression führt in bestimmten Kristallen zu elektrischer spannung -> direkter Piezoelektrischer Effekt

Aktoren: elektrische Spannunf führt zu mechanischer Kompression -> reziproker indirekter Piezoelektrischer Effekt

Prinzip des Piezoelektrischen Effekts ->Bei Stauchung des Kristalls schieben sich die negativen O2-Ionen nach oben, die positiveb Si4-Ionen nach unten; an der Kristalloberfläche werden elektrische Ladungen induziert

inverser Piezo-Effekt: Durch die angelegte elektrische Spannung werden O2-Ionen nach oben, Si4-Ionen nach unten verschoben, der Kristall kontrahiert

Für die piezoelektrisch erzeigte Ladung Q = k* F

k = Piezoelektrischer Koeffizient (k = 2,3pC/N), F= Kraft

direkter piezoelektrischer Effekt -> Verformung führt zu Energie -> F zu e -> Sensoren

Reziproker piezoelektrischer Effekt -> Energie führt zu Verformung -> E zu F -> Aktoren

Quarzdruckaufnehmer mit Strahlmembran

• Vorteile: gute Medienbeständigkeit, hochgenau

• Nachteile: kleines Signal, große Bauform

Dünnfilm - DMS mit Strahlmembran

• Vorteile: sehr gute Medienbeständigkeit, robust, genau

• Nachteile: kleines Signal, große Bauform

Si- DMS mit Si- Membran

• Vorteile: klein, billige großes Signal

• Nachteile: Überdruckempfindlich, Temperaturempfindlich

Sensoren -> Die Sinne

Aktoren -> Die Muskeln

Ein Elektromagnet erzeugt eine Kraft und setzt so etwas in Bewegung (Elektromotor, Relais)

2 wichtige Kräfte:

• Reluktanz Kraft (Kraft des magnetischen Widerstand) die Schließvorgänge ermöglicht (wie beim Relais oder Hubmagneten)

• Loremzkraft für die Elektromotoren

ein magnetischer Kreis ist ein geschlossener Pfad eines magnetischen Flusses

Die Betrachtung des magnetischen Kreises spielt vor allem in Konstruktion von Elektromagneten, Transormatoren und Elektromagneten eine Rolle

Magnetischer Fluss 𝜙 = 𝐵 ∗ 𝐴 = ∫𝐵∗𝑑𝐴

Die Gesamtheit der Feldlinien wird analog zum Stromfluss im elektrischen Strömungsfeld Magnetischer Fluss genannt

Induktion 𝐵 = 𝜙/A = (μ0∗I)/(2 * pi * r)

Magnetische Feldstärke 𝐻 = 𝜙/ (μ * A)= B * μ

Durchflutung, Durchflutungsgesetz, Energie im Luftspalt, Normalkraft siehe oben

Der Permeabilität μr ist bei der ferromagnetischen Stoffen von der magnetischen Feldstärke abhängig

Der Zusammenhang zwischen magnetischer Induktion und der magnetischen Feldstärke ist nicht linear und eindeutig

Hysterese ist eine Änderung der Wirkung, die verzögert gegenüber der Änderung der Ursache Auftritt

Magnetstriktion ist die Defintion magnetischer Stoffe infolge eines angelegten magnetischen Feldes -> Körper erfährt bei konstantem Volumen eine Längen Änderung

Bei der Polarisation ändert sich durch die Drehvorgänge in den Weißschen Bezirken (Werkstoffetechnik) die Gesalt des des Werkstoffes -> Magnetostrikation

Die Längenänderung λ erreicht bei magnetischer Sättigung ihr Maximum λs

Aus dem VZ für λs erkennt man, ob Verkürzung oder Verlängerung vorliegt

Anwendung -> Erzeugung von Ultraschall, Brummgeräusche im Transformator werden durch Magnetostriktion erzeugt

Vorteile: sehr hohe Stellkräfte, Hocher elektrochemischer Widerstand, kurze Reaktionszeit

Nachteile: Ohmsche Verluste auch im statischen Betrieb, sehr geringer Stellweg (Hub)

Piezoelektrischer effekt -> Ladungstrennung bei Temperaturänderung

Neben Sensoranwendung auch in Aktoren genutzt -> Biegeelemente, Hydraulikventile, Pneumatik, Ventile (allgemein für Stellglieder), Verstellung von Werkstoffen, und PE-Motor

Durch Anlegen einer Spannung ändert sich die Länge des Kristalls, ebensfalls entsteht eine Spannung (sehr gut für Stellglieder)

Prinzip:

Gleichstrommotoren

Universalmotoren für AC & DC

Drehfeldmotoren (Starkstrom)

• Synchronmotoren -> Rotor aus Magneten & Stator aus 6 Spulen

• Asynchronmotoren -> Rotor aus gegossener Aluminiumwicklung und Stator aus 6 Spulen

Im Folgenden werden nur Gleichstrom und Universalmotoren betrachtet

Magnetische Erregung

• permanent erregt durch Magneten (Stator), Rotor mit Spule

• Felderzeugende Spule (Rotor) parallel mit Felderfahrender Spule (Stator)

  • Nebenschlussmotor

• Felderzeugende Spule (Rotor) in reihe mit Felderfahrender Spule (Stator)

  • Reihenschlussmotor

Kommutierung (Anschluss)

• Durch Bürsten die auf einem Schleifer (Kommutator) schleifen (Graphit oder Metall)

• Elektronisch (Halleffekt)

Elektromotoren sind elektromechanische Energiewandler, die elektrische Energie in mechanische Energie umwandeln

Die elektrische Energie kann direkt oder durch Zwischenstufen in mechanische Energie gewandelt werden

Wirkungsgrad ist 𝜂 = (Wmech/ Wel) muss kleiner 1 sein

• Abgegebene Energie 𝑊𝑚𝑒𝑐ℎ = 𝐹 ∗ 𝑙 = 𝑀𝑑 ∗ 𝐷𝑟𝑒ℎ𝑤𝑖𝑛𝑘𝑒𝑙

• Leistung 𝑃𝑚𝑒𝑐ℎ = 𝜔 ∗ 𝑀M

um gleichbleibende Rotation zu erhalten, muss die Ankerwicklung (Rotor) nach einer halben Umdrehung umgekehrt (Da stator mit Nord und Südpol) werden

Dies geschieht durch den Kommulator, der die Ankerspannung kontinuierlich umpolt

Eine elektromagnetische Schaltvorrichtung aus Schleifbahn und Kohlebürsten übernimmt diese Aufgaeb

Man kann also sagen das die Läuferwicklung (Rotor) mit wechselstrom gespeist wird

Auch wird durch aufgrund des Induktionsgesetzes in der sich im Magentfeld bewegten Wicklung eien spannung induziert, der Spannung der Ankerspannung entgegenwirkt

Dadurch wird eine dem Antrieb entgegengesetzte Spannung erzeugt

kleiner Ankerstrom -> kleines Drehmoment

großer Ankerstrom -> großes Drehmoment

Je größer der Erregerstrom desto größer das Moment

Stator besteht aus einem außen angeordneten Permanentmagneten in einem Gehäuse (Stator)

Die hinten & vorne angebauren Flansche dienen als Lagerung für die Motorwelle

Der Rotor besteht aus 4 unabhängigen Wicklungen in einem Eisenkern (Geblätterter Stahlkern) die auf einer Welle aufgeschrumpft wurden

Ebenfalls zum Rotor gehört der Kollektor (Kommulator) um den die Bürsten kaufen (Elektrischer Kontakt zu den Wicklungen)

Problem: Konventionelle Motoren weißen Rastmomente auf -> Drehmoment weist Welligkeit auf, das entsteht, dadurch das die Zähne des Eisenkerns (Wicklung liegen in Nuten, daneben befinden sich die “Zähne”) magnetisiert und angezogen werden

Um den Motor zu drehen, muss diese Magnetisierung immer eins weitergeschalten werden

Dadurch ruckelt das Drehmoment bei kleinen Drehzahlen, außerdem entstehen Vibrationen & wenn der Rotor anhält, will er das immer so machen, dass diese Zähne magnetisch ausgerichtet sind -> erschwert genaue Positionierung

Lösung eisenloser Motor

hier besteht der Stator aus einem Innenliegenden Permanentmagneten, dem Gehäuse, das außenliegt & bei den beiden Flanschen für die Lagerung

Der Rotor aus Welle, Wicklung & Kollektor liegt zwischen Gehäuse & dem permanentmagneten

es dreht sich also der rotor um den Stator

Vorteile:

• Keine Rastmomente

  • Keine wechselwirkung der Zähne

  • Ruckelfreier Lauf bei niedrigen Drehzahlen

  • weniger Vibration

  • genaue Positionsermittlung möglich

• Keine Eisen Verluste

  • konstante Magnetisierunf

  • drehmoment streng proportional zum Motorstrom (keine Rastmomente)

• Kleine Induktivität

  • weniger elektromagnetische störung

  • höhere Lebensdauer

Grafit

• Hebebürsten -> drehbar gelagert & mit Feder auf Kollektor gedrückt

• sehr aufwändig in der Fertigung

• Bürste besteht aus 505 graphit, Rest:Kupfer, um Leitfähigkeit zu verbessern

• Kollektor als Legierung aus Kupfer (wird nochmal mit drehmaschine überdreht, um Rundheit und Rauheit sicherzustellen)

• Graphitbürsten auf kupferkollektor ist ein bewärter Gleitkontakt & findet breites Anwendungsspektrum im Motoren Bau (Bohrmaschine, Kücheferäte, etc)

Edelmetallbürsten

• Für kleine Ströme & Spannungen

• Gleitkontakt zwischen Metall und Metall -> kleiner Kontaktwiderstand

• Bürste aus Federbronze mit aufgebrachtem Kontaktbereich aus Silber

• Kollektor aus Silberlegierung

EC: electronically commutated

BLDC: brushless DC

Motorverhalten wie DC Motor

Aufbau ähnlich einem Synchronmotor (3 phasige Statorwicklung, rotierender Magnet)

verglichen mit bürstenbehaftetem DC Motor: höhere lebensdauer, höhere Drehzahl

nutenlose Wicklung -> keine Rastmomente

Motorverhalten wie DC Motor

Aufbau ähnlich wie Synchronmotor

höhere Drehzahlen & höhere Lebensdauer als die Bürstenmotoren

Nutenlose Wicklung deshalb keine Rastmomente

Steuerung durch Halleffekt

nach abschalten der motor dreht sich der rotor weiter und würde Spannung in die Schaltungselektronik (Transistoren) induzieren.

Das würde die Halbleiterbauelemente zerstören, deshalb wird eine Freilaufdiode verwendet, die diese Spannung kurzschließt (Diode lässt die Spannung nur in eine Richtung durch)

Anwendung: PC Lüfter, Festplatten, E scooter