Versuchsanleitung: Magnetische & optische Sensoren Reichweite Messfehler - Kalibrierung

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1 Laborversuch Grundlagen der physikalischen Messtechnik: Magn. & opt. Sensoren 1 Versuchsanleitung: Magnetische & optische Sensoren Reichweite Messfehler - Kalibrierung Magnetische Messverfahren zeichnen sich durch Zuverlässigkeit, Einfachheit aus und sind unempfindlich gegen Verschmutzung. Optische Messverfahren sind zwar für Verschmutzungen anfällig, aber dafür nicht auf magnetische Materialien oder zumindest Leiter (im allgemeinen Metalle) beschränkt. In der industriellen Messtechnik und Automatisierungstechnik zählen sie daher zu den häufigsten Messverfahren. Ziel: Sie sollen einige dieser Sensoren untersuchen, insbesondere hinsichtlich der Reichweite, der Messfehler und der erzielbaren Genauigkeit. Möglichkeiten zur Verbesserung des grundlegenden Messverfahrens werden erprobt und ausgemessen. 1. Aufgabe: Magnetische Näherungsschalter Magnetische Näherungsschalter werden durch ein Magnetfeld ausgelöst. Manche Modelle erlauben direkt die Schaltung von ~220 Volt Signalen. Die einfacheren (und billigen) Modelle enthalten ein Reed Relais, welches bei Annäherung eines Magneten den Schaltzustand wechselt. Sehr häufig finden diese Näherungsschalter Anwendung als Endschalter. Wie genau diese magnetischen Näherungsschalter zur Positionierung zum Beispiel eines Werkzeugs sind, ist ihre jetzige Aufgabe. Montieren sie zunächst den Magneten 4x40 mm aus zwei Stücken a 20 mm mit den Bausteinen wie in der Abbildung dargestellt auf die Grundplatte der Messzunge des Messschiebers. Dann montieren sie den magnetischen Näherungsschalter wie in der Abbildung dargestellt auf die Grundplatte des Messschiebers. Justieren sie die Bausteine so, dass der Magnet bei geschlossenem Messschieber den Näherungsschalter möglichst mittig berührt. Den magnetischen Näherungsschalter schließen sie an ein Digitalvoltmeter an. Wählen sie für das Digitalvoltmeter Widerstandsmessung aus; einige Modelle besitzen eine Durchgangsprüfung - Piepston bei geschlossenem Kontakt. Bausteine Näherungsschalter: axial Betr. Anfänger: Die Arbeitsweise des Digitalvoltmeters für offenen/geschlossenen Kontakt können sie vorher erproben, indem sie das Digitalvoltmeter mittels Kabel probeweise kurzschließen. 1.1 Reproduzierbarkeit der axialen Messung: Beginnen sie bei Abstand ca. 20 mm und nähern sie den Magneten an den Schalter an, bis dieser den Kontaktzustand wechselt (hier: Einschalter). Notieren sie den Abstand des Einschaltens. Öffnen sie den Messschieber von ca. 1 bis 2 mm Abstand beginnend langsam, bis der Näherungsschalter den Kontakt erneut wechselt (hier: Ausschalten) und notieren sie erneut den Abstand. Zur Kontrolle der Reproduzierbarkeit (Genauigkeit) machen sie jeweils fünf Messungen und notieren sie im Protokoll.

2 Laborversuch Grundlagen der physikalischen Messtechnik: Magn. & opt. Sensoren Reproduzierbarkeit der quer orientierten Messung Orientieren sie die Achse des Näherungsschalters quer zur Achse des Magneten. Die Abbildung zeigt eine Möglichkeit des Aufbaus. Führen sie die fünf Messungen der Aufgabe 1.1 mit dieser Orientierung durch und tragen sie die Ergebnisse ins Messprotokoll ein. Weshalb kann auf eine Messung der 3. Achse (senkrecht zu den vorhergehenden Richtungen) verzichtet werden? 2. Aufgabe: Hallsensor Bausteine Näherungsschalter: quer Hallsensoren haben die Eigenschaft ein elektrisches Signal zu produzieren, das weitgehend linear zur Stärke des magnetischen Feldes ist. Wenn die Schalthysterese von Reed Relais (Aufgabe 1) stört oder die Anforderung an einen magnetischen Näherungsschalter steigen, werden sie oft als 5V Sensorelement eingesetzt. Dabei sind auch Schaltfrequenzen im Bereich einiger khz (der mechanische Schalter ist da etwas blond) kein Problem. Obwohl die Mehrzahl der Hallsensoren bereits über einen digitalen oder auch Schaltausgang besitzen, wird U aus wegen dem Studium der Grundlagen des Verfahrens ein Sensor mit analogem Ausgang eingesetzt. Die nebenstehende Abbildung zeigt das elektrische Prinzip: Der Signalausgang des Sensors hat die Form einer halben Messbrücke (Halbbrücke) und teilt die Betriebsspannung etwa in der Mitte. 2.1 Hallsensor - Reichweite Ziel: Im folgenden Teilversuch soll als 1. Schritt die Empfindlichkeit eines Hallsensor Elements ausprobiert werden. Montieren sie den (einfachen) Hallsensor durch Aufschieben der Halterung auf die Grundplatte des Messschiebers. Der Magnet mit seiner Halterung aus Aufgabe 1 kann übernommen werden. Justieren sie die Bausteine so, dass bei geschlossenem Messschieber der Magnet den Hallsensor berührt. Das Anschlusskabel mit dem 5- poligen DIN Stecker schließen sie an die Messbox (graublaues Kunststoffgehäuse an). An Signal 1 (Gelb) und an Masse (schwarz) schließen sie ein Digitalvoltmeter in DC-Spannungsbereich 20 Volt an. Wählen sie ein moderneres Labornetzteil mit digitaler Anzeige. Stellen sie auf dem Labornetzteil eine Spannung von 5,0 Volt ein. Jetzt schließen sie das Labornetzteil an die Messbox an. Wenn sie den Messschieber weit öffnen, sollte das Digitalvoltmeter eine Spannung von ca. 2,5 Volt (=U Supply /2) anzeigen. Messung: Stellen sie mit dem Messschieber die im Messprotokoll vorhandenen Abstände ein und notieren sie die Spannung des Digitalvoltmeters. Ermittlung des Fehlers: Beobachten sie die Anzeige bei ganz geöffnetem Messschieber. Orientieren sie (drehen) den Messschieber an verschiedenen Stellen im Raum und achten sie auf die maximale und minimale Anzeige. Beachten sie, dass das Erdmagnetfeld (Kompass) die Messung nennenswert beeinflusst. Eintrag ins Protokoll.

3 Laborversuch Grundlagen der physikalischen Messtechnik: Magn. & opt. Sensoren Messbrücke: Erhöhung der Messgenauigkeit Ziel: Im folgenden Teilversuch soll das Verbesserungspotential durch höheren Aufwand des Messprinzips erprobt werden. Es werden zwei identische Sensoren zu einer Messbrücke 5V 5V kombiniert. Das elektrische Prinzip ist nebenstehende skizziert. Mechanisch muss dazu nur die Richtung der Sensoren vertauscht sein, das heißt ein Sensor wird mit der Rückseite (in Nord Süd), der andere mit der Vorderseite (in Süd Nord) montiert. Bei genauer Betrachtung kann man die Montage auf dem Hall-Brückenbaustein erkennen. Als Messsignal dient die Differenz zwischen den U aus 1 U aus 2 Halbbrücken (Sensoren). Schließen sie das Messgerät an die beiden Halbbrücken (beide gelbe Buchsen) an! Montieren sie die Hallsensorbrücke auf den Messschieber so, dass bei geschlossenem Messschieber der Magnet den Sensor berührt. Wenn sie den Messschieber weit öffnen sollte die Spannung nahe 0 Volt sein und sie können und im 0,2 Volt Messbereich messen. Messungen: Stellen sie die im Messprotokoll aufgeführten Abstände mit dem Messschieber ein und notieren sie die Brückenspannung des Digitalvoltmeters. Ermittlung des Fehlers: Beobachten sie die Anzeige bei ganz geöffnetem Messschieber. Orientieren sie (drehen) den Messschieber an verschiedenen Stellen im Raum und achten sie auf die maximale und minimale Anzeige. Beachten sie, dass das Erdmagnetfeld (Kompass) die Messung nennenswert beeinflusst. Eintrag ins Protokoll. 3. Aufgabe: Reflexionslichtschranken Optische Sensoren finden in der Produktion und Automatisierungstechnik viele Einsatzgebiete. In Transportsystemen kommen sehr häufig Lichtschranken zum Einsatz. Mit entsprechender Empfindlichkeit und mit Linsensystemen lassen sich Entfernungen bis einige Meter abdecken. Im Laborversuch wird ein Näherungssensor ohne Linsen (billiger) eingesetzt, dessen Arbeitsbereich einige Millimeter beträgt. Der Sensor sendet durch eine LED infrarotes (IR) Licht aus, welches von einem Gegenstand reflektiert wird. Das reflektierte infrarote Licht wird durch einen infrarot-phototransistor detektiert und in einen Kollektor-Emitter (Arbeits-) Strom umgewandelt Reflexsensor - Reichweite Ziel: Im folgenden Teilversuch soll die Empfindlichkeit des Reflexsensors ermittelt werden. Handhabung, Anwendbarkeit und deren Grenzen sollen durch Erprobung erfasst werden. Schieben sie auf die Zunge des Messschiebers einen Baustein mit weißer Kunststoffplatte (als Reflektor). Auf den Bausteine Reflexsensor

4 Laborversuch Grundlagen der physikalischen Messtechnik: Magn. & opt. Sensoren 4 Messschieber wird der Reflexsensor Baustein aufgeschoben. Nebenstehende Abbildung zeigt einen möglichen Aufbau. Justieren sie die Bausteine so, dass bei geschlossenem Messschieber die weiße Reflexionsplatte den Sensor mittig berührt. Schließen sie das Kabel an der 5 poligen DIN Buchse der Messbox an. Die Spannungsversorgung beträgt ebenfalls 5,0 Volt. Das Digitalvoltmeter wird an Masse (schwarz) und an die gelbe Signal 1 Buchse (gelb) angeschlossen. Wählen sie den DC-Strommessbereich von 2 ma (gegebenenfalls 0,2 ma). Messung: Stellen sie mit dem Messschieber die im Messprotokoll vorhandenen Abstände ein und notieren sie die Spannung des Digitalvoltmeters. Ermittlung des Fehlers: Beobachten sie die Anzeige bei ganz geöffnetem Messschieber. Orientieren sie den Messschieber in verschiedenen Richtungen, insbesondere in eine dunkle Stelle des Raums, an oder zum Deckel nicht. Notieren sie den maximalen und in minimalem Strom des Versuchs ins Protokoll Verbesserung durch Lichtschutztubus Ziel: Einfache mechanische Maßnahmen sollen die Messgenauigkeit des Systems verbessern. Durch ein schwarzes Rohr als Lichtschutztubus lässt sich der Einfluss des Umgebungslichts verringern. Wir nehmen an, die Messlösung würde einen Aufbau entsprechend nebenstehenden Bildes erlauben. Messung: Führen sie die Messungen mit dem geänderten mechanischen Aufbau genau wie in 3.1 aus und tragen sie die Daten ins Protokoll ein. Reflexsensor mit Lichtschutzrohr 4. Versuch: Lichtschranke - Drehzahlkontrolle Ziel: Die Funktion einer Lichtschranke soll erprobt werden. Drehzahl und Qualität eines Lüfterrads sind in laufender Rotation zu prüfen. Die angewandte Lichtschranke arbeitete als Durchgangsschranke. Eine rote LED wirkt als Lichtquelle und beleuchtet einen Phototransistor mit eingebauter Linse. Obwohl die Reichweite mit dieser einfachen Optik schon bei ca. 30 cm liegt, wird für die Applikation nur ein Bruchteil der Distanz benötigt. Schließen sie das Lichtschrankenbrett mit dem Lüftermotor an ein Labornetzteil (Schwarz = Masse, rot=+12v) und zum Messen (gelb) an ein Digitalvoltmeter und an den Eingang des Oszilloskops an. Den Motor (rot,blau) noch nicht anschließen! Klappen sie den Motor soweit möglich aus dem Brett heraus. Die rote LED der Lichtschranke muss nun leuchtend sichtbar sein. 4.1 Empfindlichkeit & Begreifen des Wirkprinzips Aufbau & Messung: Gegenüber der LED befindet sich der Phototransistor. Verdunkeln sie den Phototransistor mit dem Finger und beobachten sie die Ausgangsspannung des Transistors auf dem Oszilloskop &

5 Laborversuch Grundlagen der physikalischen Messtechnik: Magn. & opt. Sensoren 5 Digitalvoltmeter. Messwerte ins Protokoll. Verdecken sie einen Teil des Transistors mit einem Messschieberteil oder Baustein bis die Ausgangsspannung ca. 6 Volt beträgt. Variieren sie nun die Abdeckung so, dass sie die Verschiebung (evtl. mit dem Messschieber) leicht messen können. Messen sie eine Verschiebung, bei der die Spannung U 2 = 7V und U 1 = 5V die beiden Einstellungen s2, s1 hat. Wichtig ist insbesondere die Verschiebung s=s 2 -s 1 für die Spannungsänderung U= U 2 -U 1 =2V. Tragen sie die Werte ins Protokoll ein. Danach kann das Lüftermotor & Messung Lichtschranke Digitalvoltmeter entfernt werden. Klappen sie den Motor auf das Brett zurück, drehen sie das Lüfterrad von Hand und beobachten sie die Spannung am Oszi. Volle Checkung? 4.2 Drehzahlmessung Schließen sie den Motor (rot an +pol) an eine zweite Stromversorgung an. Stellen sie 4V ein, ggf. 5V bzw. Motor anschubsen er sollte langsam laufen. Stellen sie das Oszilloskop in der Zeitbasis Sek/DIV so ein, dass sie eine rechteckähnliche Spannung erkennen können. Messen sie nun für die verschiedenen Motorspannungen des Protokolls dessen Drehzahl und Stromaufnahme in ma, in dem sie die Dauer eines Rechteckimpulses ermitteln. Sollte die Zeitdauer etwas Wackeln (Jitter) ignorieren sie das Wackeln und schätzen sie. Messen sie die den Strom ggf. in spannungsrichtiger Beschaltung. 4.3 Qualitätsprüfung im Lauf Stellen sie die Betriebsspannung des Motors im Bereich 10-15V ein. Stellen sie die Zeitbasis Sek/DIV des Oszilloskops so ein das 8-10 Rechtecke zu sehen sind. Ggf. ist die Motorspannung nachzuregeln. Das Oszilloskopbild zeigt in etwa das typische Messbild. Beachten sie, dass die Rechtecke (als Abbildung der Laufender Lüfter (10 Flügel abgeb.) Lüfterflügel) zeitlich etwas variieren. Aber das 8. Rechteck nach Triggerung des Oszis variiert (jittered) nicht, sondern hat stets konstanten Zeitabstand. Da der Rotor aus 7 Flügeln besteht können sie hier sehen, dass die Drehzahl des Motors recht konstant ist. Offensichtlich ist der Abstand von Flügel zu Flügel nicht exakt gleich, das Lüfterrad also nicht exakt 7 fach Rotationssymmetrisch. (War ja auch kein teures Präzissionsbauteil!) Messung: Messen sie die Dauer einer Umdrehung (7 volle Rechtecke). Eintrag ins Protokoll. Schätzen sie das Wackeln der mittleren Rechtecke (z.b. 4.Flügel). Vergrößern sie die Zeitachse mit der X-Magn x10

6 Laborversuch Grundlagen der physikalischen Messtechnik: Magn. & opt. Sensoren 6 Taste und suchen sie mit dem X-pos Knopf z.b. den 4.Flügel. Tragen sie den nun genaueren Wert ebenfalls ins Protokoll ein.