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Messen ist das Ausführen von geplanten Tätigkeiten zum quantitativen Vergleich der Messgröße mit eine Maßeinheit

Objekt (Gegenstand), an dem gemessen werden soll.

Gerät, mit dem gemessen werden soll

Komponente, mit dem die Messgröße unmittelbar erfasst und meist in ein elektrisches Signal umgewandelt wird

Physikalisches Prinzip, mittels dem eine Messgröße in ein (meist elektrisches) Signal umgewandelt wird

Vorgehensweise bei einer Messung, Ablauf einer Messung

Zeitverlauf einer physikalischen, oft einer elektrischen (Mess-)größe, welche durch einen Informationsparameter, z.B die Amplitude, beschrieben wird

Physikalische Größe, die gemessen werden soll

Konkreter, momentaner Wert der gemessenen physikalischen Größe, der angezeigt und abgelesen oder gespeichert wird. Produkt aus Zahlenwert + Einheit

Mehrere Messungen hintereinander, oft unmittelbar aufeinanderfolgend. Ziel ist es, den zeitlichen Verlauf zu ermitteln oder die Messunsicherheit zu reduzieren

Endergebnis einer Messung nach der Auswertung. Vollständiges Messergebnis = Messergebnis ± Messunsicherheit (Bei def. Vertrauensniveau, meist 95%)

Wertebereich der zu messenden Größe, der vom Messgerät erfasst werden kann, ohne dass eine vorgegeben Messunsicherheit überschritten wird

Kleinste, von einem Messgerät noch nachzuweisende Änderung der Messgröße

Jede Messung ist mit Fehlern behaftet. Daraus resultiert ein Bereich in beide Richtungen um den wahren Wert oder Schätzwert, Messunsicherheit genannt.

• Offsetfehler (Parallelverschiebung der Nenn-Kennlinie nach oben/unten)

• Steigungsfehler (Winkelfehler der Kennliniengeraden nach oben/unten)

• Linearitätsfehler

• Hysteresefehler (Bei Umkehr der Messrichtung ändert sich der Signalverlauf)

Die Messunsicherheit u einer Messeinrichtung sollte höchstens 1/10 der geforderten Messunsicherheit der Messung bzw. der zu messenden Toleranz betragen

Ein Sensor wandelt physikalische Messgrößen in elektrische Größen um und verarbeitet diese so, dass sie leicht übertragen und weiterverarbeitet werden können

Besagt, dass die Frequenz der Abtastrate mindestens doppelt so gross wie die Frequenz des zu messenden Signals sein muss. In der Praxis wird häufig eine 5 - 10 mal höhere Abtastrate gewählt.

• Das ursprüngliche Signal kann (theoretisch) aus einem zeitdiskreten Signal wieder exakt rekonstruiert werden.

• Auch nach der Abtastung der zeitkontinuierlichen Signale liegen immrnoch analoge Signalwerte vor.

• Der nun folgende Schritt von analogen zu Digitalen Signalwerten wird als Quantisierung bezeichnetr. Im Quantisierungsprozess wird die unendliche Zahl der Zwischenwerte auf ein endliches Maß begrenzt.

• Die Auflösung der Quantisierung wird durch die Bit-Zahl bestimmt, die zur Repräsentation des analogen Signals verwendet wird. Ein 3-Bit A/D-Wandler zerlegt den Bereich in 2^3=8 Unterteilungen. Wird die Auflösung auf 16-Bit erhöht, steigt die Unterteilungszahl auf 65.563

• Der Quantisierungsfehler ist der Abstand zwischen 2 Stufen.

• Zu messende Größe

• Messbereich

• Auflösung

• Messunsicherheit

• Einbauraum

• Elektrische Schnittstelle

• Notwendige Anschlüsse

• Beim Seebeckeffekt tritt zwischen zwei Leiterenden mit unterschiedlicher Temperatur eine Spannung auf.

• Für eine praktische Messung ist immer eine Rückleitung von der Messstelle zum Messgerät notwendig, dazu muss die Rückleitung aus einem anderen Material mit unterschiedlichem Seebeck-Koeffizient ausgeführt werden.

• Mit Hilfe des Seebeck-Effekts lassen sich Temperaturdifferenzen und bei bekannter Vergleichstemperatur auch Absoluttemperaturen messen

• Bei piezoelektrischen Materialien treten unter mechanischen Druck- oder Zugbeanspruchungen an der Oberfläche elektrische Ladungen auf, die sich über Elektroden abgreifen lassen → Kraftmessung, Druckmessung

• Der kapazitive Messeffekt beruht auf der Änderung einer Kapazität eines Kondensators

• Die Kapazität C eines Kondensators ist abhängig von der wirksamen Fläche A, dem wirksamen Abstand d der Flächen sowie der Permitivität ε

• Jede Änderung der drei Größen führt zu einer Änderung der Kapazität und damit zu einem Messeffekt

• Der kapazitive Effekt wird hauptsächlich zur Erfassung von Abständen, Verschiebung, Verdrehung und Füllstandsmessungen verwendet

• Die Induktivität einer Spule ist abhängig von der Windungszahl N, der Länge der magnetischen Feldlinien I, der von den Feldlinien durchsetzten Querschnittsfläche A sowie der Permeabilität µ, das die Feldlinien durchdringen

• Als Messeffekt nutzt man vorwiegend die Längenänderung der magnetischen Feldlinien oder die Änderung der wirksamen relativen Permeabilität zur Wegmessung

• Ändert sich der durch eine Spule hindurchtretende magnetische Fluss, so wird in der Spule eine Spannung U induziert

• Generatorprinzip: Eine (meist drehende) Spule wird in einem Magnetfeld bewegt. Die erzeugte Spannung ist proportional zur Bewegungsgeschwindigkeit bzw. Drehzahl

• Eine mit Wechselspannung betriebene Primärspule erzeugt ein magnetisches Wechselfeld, das in einer gekoppelten Sekundärspule eine Spannung induziert

• Die induzierte Spannung hängt beispielsweise von der relativen Position der Spulen oder von der Position eines Spulenkerns ab

• Durch die Verwendung von 2 Spulen können Fehlereinflüsse reduziert werden und die Kennlinie in einem Bereich linear gestaltet werden

• Ein magnetisches Wechselfeld erzeugt in einem Bauteil aus leitfähigen Material sogenannte Wirbelströme hervor

• Diese Wirbelströme sind in Größe und Frequenz von dem auslösenden Magnetfeld und von der Relativgeschwindigkeit zwischen der erzeugenden Spule und dem Bauteil abhängig

• Das von den Wirbelströmen erzeugte Magnetfeld wirkt wiederum auf Spule zurück und dämpft dort das ursächliche Magnetfeld –> Abstandmessung

• Beschreibt das Auftreten einer elektrischen Spannung in einem Stromdurchflossenen Leiter, der sich in einem stationären Magnetfeld befindet. Es baut sich ein elektrisches Feld auf, das zur Stromrichtung und zum Magnetfeld senkrecht steht und das die auf die Elektronen wirkende Lorentzkraft kompensiert

• In einem Stromdurchflossenen Leiter- oder Halbleiter-Plättchen, das senkrecht zur Stromrichtung von einem Magnetfeld durchdrungen wird, entsteht senkrecht zur Strom- und Magnetfeldrichtung eine Spannung → Hall- Spannung

• Fotodioden sind Halbleiterbauelemente die sensitiv auf Lichteinstrahlung reagieren

• Sie bestehen aus einem pn-Übergang – zwei Bereichen im Halbleitermaterial, die durch Einlagerung von Fremdatomen positive und negative Ladungsträger enthalten

• Mit Fotodioden lässt sich die Beleuchtungsstärke messen. Oft nutzt man dabei nur den Unterschied zwischen Hell und Dunkel aus.

• Das Messprinzip beruht auf der Zählung von Impulsen, die durch Verschiebung des Messlineals ausgelöst werden

• Ist auch für rotatorische Anwendungen (Impulsscheibe) geeignet

• Abtastung kann optisch oder magnetisch erfolgen

• Die Messunsicherheit ist entscheidend von der Genauigkeit des Maßverkörperung abhängig

• Die Sensorspule erzeugt hochfrequentes magnetisches Wechselfeld, dieses induziert im Messobjekt Wirbelströme die wiederum ein Magnetfeld erzeugen → Änderung Wechselstromwiderstand der Sensorspule

• Die Änderung ist abhängig vom Abstand des Messobjekts zur Sensorspule

• Es ist eine Linearisierung und Kalibrierung des Sensors notwendig

• Zur Drehwinkelmessung werden mindestens 2 Hallsensoren benötigt (Sinusförmiges Signal ist nicht eindeutig, Drehrichtung)

• Jeder Hallsensor liefert über den Drehwinkel jeweils eins Sinusförmiges Spannungssignal, die vom integrierten Mikrocontroller ausgewertet werden

• Aus den Spannungssignal kann die Winkelposition berechnet werden

• Drehwinkelmessung erfolgt Berührungslos, die Kopplung an das Messobjekt jedoch mechanisch

• Für die Richtungserkennung und für die Signalaufbereitung sind 4 Photoelemente notwendig. Das 5. Photoelement wertet die Referenzmarke aus

• Durch Differenzbildung (I1 = I0° – I180°; I2 = I90° - I270°) erhält man zwei sinusförmige Signale, die eine Phasenverschiebung aufweisen. Aus den Nulldurchgängen lassen sich die beiden Pulsfolgen Puls 1 und Puls 2 erzeugen. Die Reihenfolge der Flanken von Puls 1 und Puls 2 ändert sich bei Richtungsänderung des Maßstabs

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• • Ein Laserstrahl wird von einem Messobjekt reflektiert und auf einem Empfängersensor, der in einem bestimmten Winkel angebracht ist, abgebildet

• Verringert sich der Abstand von d0 auf d, so verschiebt sich der Bildpunkt auf dem Sensor um den Weg x

• Aus den bekannten geometrischen Abmessungen des Sensors lässt sich aus dem gemessenen Weg x der Abstand d berechnen

• Der prinzipielle Aufbau ist vergleichbar mit dem eines Generators

• Die Ausgangsspannung U ist proportional zur Drehzahl n -> U = k * n

• Am Umfang einer Scheibe sind gleichmäßig verteilte Marken angebracht, die mit Hilfe eines Sensors detektiert werden

• Jeder vorbeikommende Zahn erzeugt einen Puls

• Pro Umdrehung der Zahnscheibe werden z-Pulse erzeugt

• Bei der Messung werden die Zahl der Impulse während einer definierten Zeit T0 gezählt und daraus die Drehzahl berechnet

• Die Wahl der Zeitbasis ist entscheidend für die Auflösung und die Dynamik o Je größer T0, desto besser die Auflösung des Systems o Je kleiner T0, desto besser die Dynamik

• An einer drehenden Komponente sind eine oder mehrere optische Markierungen vorhanden

• Werden diese mit einer Blitzlichtquelle einer bestimmten Frequenz angestrahlt, so erhält man ein stehendes Bild, wenn die Drehzahl einem Vielfachen der Frequenz des Blitzlichts entspricht

• Durch die Ermittlung zweier benachbarter Stillstandsfrequenzen fS1, fS2 kann Drehzahl eindeutig bestimmt werden.

• Die Messgrößen Kraft, Drehmoment und Druck lassen sich nur indirekt über ihre Wirkung auf einen Messkörper in Form von Spannungen oder Verformungen messen

• Der Kraftsensor muss grundsätzlich im Kraftfluss liegen und somit die gesamten mechanischen Spannungen über der Lebensdauer ohne Schäden überstehen → Festigkeitsgerechte Dimensionierung spielt eine zentrale Rolle

• Die Krafteinleitung auf den Sensor muss bei der Auslegung beachtet werden: zentrisch, Querkraftfrei, Momentfrei

• Piezoresistiv: Widerstandsänderung durch geometrische Effekte als auch die Änderung des spezifischen Wiederstands

• DMS: Wird zur Messung der Dehnung verwendet

• Prinzip: Kraft F erzeugt eine Zugspannung σ im Stab. Aufgrund dieser Zugspannung wird der Stab gedehnt

• • Mit Hilfe dem Hookschen Gesetz kann mit der gemessenen Dehnung die Kraft berechnet werden

• Problem: Widerstand R ist Temperaturabhängig

• Die Widerstandsänderung wird mit Hilfe einer Brückenschaltung gemessen -> zweiter DMS -> Temperaturkompensation möglich (nur bei Biegebeanspruchungen möglich)

• Unter mechanischer Belastung entstehen bei piezoelektrischen Werkstoffen an der Oberfläche elektrische Ladungen, die proportional zur wirkenden Kraft sind

• Ladungen können mit einem Ladungsträger erfasst werden

• Allerdings ist der Abfluss der Ladungen nicht über einen längeren Zeitraum zu verhindern → keine statischen Messungen über längere Zeit möglich

• Der Sensor wird vorgespannt um Spiel zu vermeiden

• Aufgrund der hohen Druckfestigkeit können große Kräfte gemessen werden

• Kräfte können in verschieden Raumrichtungen gemessen werden

• Bei der Druckmessung kommen die gleichen Messprinzipien zum Einsatz wie bei der Kraftmessung

• Am häufigsten wird der piezoresistive Effekt an einer Druck beaufschlagten Membran aus Silizium, Keramik oder Stahl verwendet

• Die Verformung der Membran wird mit Hilfe von Dehnmessstreifen in Vollbrückenschaltungen gemessen

• Beschleunigungen können generell aus einer Wegmessung und zweifacher Ableitung nach der Zeit erfasst werden

• In vielen Anwendungen ist jedoch die direkte Messung der Beschleunigung über ihre Wirkung auf eine Masse vorteilhaft → Beschleunigungssensor

• Bei der Beschleunigung des Sensors verschiebt sich die Masse gegenüber dem Sensorgehäuse. Die Verschiebung wird mittels Kondensatoren gemessen

• Aus der Messung des Weges xa kann direkt die Beschleunigung errechnet werden

• Beschleunigungssensoren werden üblicherweise sehr steif (großes c) und mit kleiner Masse ( wenige g) ausgelegt → hohe Eigenfrequenz

• Gemessen wird die Laufzeit einer elektromagnetischen Welle, z.B. eines Lichtstrahls, zwischen einem Sender und einem Empfänger.

  
  

• Ein Referenzimpulsgenerator erzeugt Pulse mit der hochgenauen Frequenz f0. Während der Zeitspanne Tx werden die Referenzpulse gezählt