Von Roboterantriebsketten über Förderbänder in der Lieferkette bis hin zur Schwingungsmessung von Windkraftanlagen ist die Positionserfassung in vielen Anwendungsbereichen eine entscheidende Funktion. Sie kann auf vielfältige Weise erfolgen, beispielsweise durch lineare, rotatorische, Winkel-, absolute, inkrementelle, Kontakt- und berührungslose Sensoren. Es wurden spezielle Sensoren entwickelt, die Positionen dreidimensional bestimmen können. Zu den Technologien der Positionserfassung zählen potentiometrische, induktive, Wirbelstrom-, kapazitive, magnetostriktive, Hall-Effekt-, faseroptische, optische und Ultraschallsensoren.
Diese FAQ bietet eine kurze Einführung in die verschiedenen Formen der Positionserfassung und gibt anschließend einen Überblick über eine Reihe von Technologien, aus denen Entwickler bei der Implementierung einer Positionserfassungslösung wählen können.
Potentiometrische Positionssensoren sind Widerstandssensoren, die eine feste Widerstandsschiene mit einem Schleifer kombinieren, der am zu erfassenden Objekt befestigt ist. Die Bewegung des Objekts verschiebt den Schleifer entlang der Schiene. Die Position des Objekts wird mithilfe eines Spannungsteilers gemessen, der aus Schienen und Schleifern besteht und lineare oder rotatorische Bewegungen mit einer festen Gleichspannung erfasst (Abbildung 1). Potentiometrische Sensoren sind kostengünstig, weisen jedoch im Allgemeinen eine geringe Genauigkeit und Wiederholgenauigkeit auf.
Induktive Positionssensoren nutzen die Änderungen der Eigenschaften des in der Sensorspule induzierten Magnetfelds. Je nach Bauart können sie lineare oder rotatorische Positionen messen. Lineare variable Differenzialtransformatoren (LVDT) verwenden drei Spulen, die um ein Hohlrohr gewickelt sind: eine Primärspule und zwei Sekundärspulen. Die Spulen sind in Reihe geschaltet, wobei die Sekundärspule gegenüber der Primärspule um 180° phasenverschoben ist. Ein ferromagnetischer Kern, der Anker, befindet sich im Inneren des Rohrs und ist mit dem Messobjekt verbunden. An die Primärspule wird eine Erregerspannung angelegt, wodurch in der Sekundärspule eine elektromagnetische Kraft (EMK) induziert wird. Durch Messung der Spannungsdifferenz zwischen den Sekundärspulen lässt sich die relative Position des Ankers und des daran befestigten Objekts bestimmen. Ein rotierender Differenzialtransformator (RVDT) nutzt dasselbe Verfahren zur Erfassung rotatorischer Positionen. LVDT- und RVDT-Sensoren bieten hohe Genauigkeit, Linearität, Auflösung und Empfindlichkeit. Sie arbeiten reibungsfrei und können für den Einsatz in rauen Umgebungen abgedichtet werden.
Wirbelstrom-Positionssensoren arbeiten mit leitfähigen Objekten. Wirbelströme sind induzierte Ströme, die in leitfähigen Materialien in einem sich ändernden Magnetfeld auftreten. Diese Ströme fließen in einem geschlossenen Stromkreis und erzeugen ein sekundäres Magnetfeld. Wirbelstromsensoren bestehen aus Spulen und Linearisierungsschaltungen. Der Wechselstrom versorgt die Spule mit Strom und erzeugt so das primäre Magnetfeld. Nähert sich ein Objekt der Spule oder entfernt es sich von ihr, kann seine Position mithilfe der Wechselwirkung des von den Wirbelströmen erzeugten sekundären Magnetfelds erfasst werden, welches die Impedanz der Spule beeinflusst. Je näher das Objekt der Spule kommt, desto größer werden die Wirbelstromverluste und desto kleiner die oszillierende Spannung (Abbildung 2). Die oszillierende Spannung wird gleichgerichtet und von einer Linearisierungsschaltung verarbeitet, um eine lineare Gleichspannung zu erzeugen, die proportional zum Abstand des Objekts ist.
Wirbelstromsensoren sind robuste, berührungslose Geräte, die typischerweise als Näherungssensoren eingesetzt werden. Sie sind omnidirektional und können die relative Entfernung zum Objekt bestimmen, jedoch nicht die Richtung oder die absolute Entfernung zum Objekt.
Kapazitive Positionssensoren messen, wie der Name schon sagt, Kapazitätsänderungen, um die Position des zu erfassenden Objekts zu bestimmen. Diese berührungslosen Sensoren können zur Messung linearer oder rotatorischer Positionen eingesetzt werden. Sie bestehen aus zwei durch ein dielektrisches Material getrennten Platten und nutzen eines von zwei Verfahren zur Positionserkennung eines Objekts:
Um eine Änderung der Dielektrizitätskonstante zu bewirken, wird das zu positionierende Objekt an das dielektrische Material angebracht. Bewegt sich das dielektrische Material, ändert sich die effektive Dielektrizitätskonstante des Kondensators aufgrund der Kombination aus der Fläche des dielektrischen Materials und der Dielektrizitätskonstante von Luft. Alternativ kann das Objekt an einer der Kondensatorplatten befestigt werden. Bewegt sich das Objekt, bewegen sich die Platten einander näher oder voneinander weg, und die Kapazitätsänderung dient zur Bestimmung der relativen Position.
Kapazitive Sensoren messen Verschiebung, Abstand, Position und Dicke von Objekten. Dank ihrer hohen Signalstabilität und Auflösung finden kapazitive Wegsensoren Anwendung in Labor- und Industrieumgebungen. Beispielsweise werden sie zur Messung der Filmdicke und bei Klebstoffapplikationen in automatisierten Prozessen eingesetzt. In Industriemaschinen dienen sie der Überwachung von Verschiebungen und Werkzeugpositionen.
Magnetostriktion ist eine Eigenschaft ferromagnetischer Materialien, die bewirkt, dass sich deren Größe oder Form unter dem Einfluss eines Magnetfelds ändert. In einem magnetostriktiven Positionssensor ist ein beweglicher Positionsmagnet am Messobjekt angebracht. Er besteht aus einem Wellenleiter mit stromführenden Drähten, der mit einem Sensor am Ende des Wellenleiters verbunden ist (Abbildung 3). Wird ein Stromimpuls durch den Wellenleiter gesendet, entsteht im Draht ein Magnetfeld, das mit dem axialen Magnetfeld des Permanentmagneten (Magnet im Zylinderkolben, Abbildung 3a) interagiert. Diese Feldwechselwirkung führt zu einer Verdrillung (Wiedemann-Effekt), wodurch der Draht gedehnt wird und ein akustischer Impuls entsteht. Dieser breitet sich im Wellenleiter aus und wird von einem Sensor am Ende des Wellenleiters erfasst (Abb. 3b). Durch Messung der Zeitspanne zwischen dem Beginn des Stromimpulses und dem Empfang des akustischen Impulses lässt sich die relative Position des Positionsmagneten und somit des Objekts bestimmen (Abb. 3c).
Magnetostriktive Positionssensoren sind berührungslose Sensoren zur Erfassung linearer Positionen. Die Wellenleiter sind häufig in Edelstahl- oder Aluminiumrohren untergebracht, wodurch diese Sensoren auch in schmutzigen oder feuchten Umgebungen eingesetzt werden können.
Wird ein dünner, flacher Leiter in ein Magnetfeld gebracht, sammelt sich der fließende Strom tendenziell auf einer Seite des Leiters an und erzeugt eine Potenzialdifferenz, die als Hall-Spannung bezeichnet wird. Bei konstantem Stromfluss im Leiter entspricht die Größe der Hall-Spannung der Stärke des Magnetfelds. In einem Hall-Sensor ist das zu untersuchende Objekt mit einem im Sensorgehäuse befindlichen Magneten verbunden. Bewegt sich das Objekt, ändert sich die Position des Magneten relativ zum Hall-Element, was zu einer Änderung der Hall-Spannung führt. Durch Messung der Hall-Spannung lässt sich die Position eines Objekts bestimmen. Es gibt spezielle Hall-Sensoren, die die Position dreidimensional erfassen können (Abbildung 4). Hall-Sensoren sind berührungslose Sensoren, die sich durch hohe Zuverlässigkeit und schnelle Messgeschwindigkeit auszeichnen und in einem breiten Temperaturbereich arbeiten. Sie finden Anwendung in verschiedenen Bereichen wie Konsumgüter, Industrie, Automobilindustrie und Medizintechnik.
Es gibt zwei grundlegende Arten von faseroptischen Sensoren. Bei intrinsischen faseroptischen Sensoren dient die Faser selbst als Sensorelement. Bei externen faseroptischen Sensoren wird die Faseroptik mit einer anderen Sensortechnologie kombiniert, um das Signal zur Weiterverarbeitung an eine entfernte Elektronik zu übertragen. Zur Positionsmessung mit intrinsischen Fasern kann beispielsweise ein optisches Zeitbereichsreflektometer (OTDR) verwendet werden, um die Laufzeitverzögerung zu bestimmen. Die Wellenlängenverschiebung lässt sich mit einem optischen Frequenzbereichsreflektometer (OFDR) berechnen. Faseroptische Sensoren sind unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen, können für den Betrieb bei hohen Temperaturen ausgelegt werden und sind nichtleitend, sodass sie in der Nähe von Hochdruck- oder brennbaren Materialien eingesetzt werden können.
Eine weitere faseroptische Sensorik, basierend auf Faser-Bragg-Gitter-Technologie (FBG), kann ebenfalls zur Positionsmessung eingesetzt werden. Das FBG fungiert als Kerbfilter und reflektiert bei Beleuchtung mit breitbandigem Licht einen kleinen Teil des Lichts um die Bragg-Wellenlänge (λ_B). Es wird durch in den Faserkern geätzte Mikrostrukturen hergestellt. FBGs können zur Messung verschiedener Parameter wie Temperatur, Dehnung, Druck, Neigung, Verschiebung, Beschleunigung und Last verwendet werden.
Es gibt zwei Arten von optischen Positionssensoren, auch optische Encoder genannt. Bei der einen Art wird Licht an einen Empfänger am anderen Ende des Sensors gesendet. Bei der anderen Art wird das ausgesendete Lichtsignal vom überwachten Objekt reflektiert und zur Lichtquelle zurückgesendet. Je nach Sensordesign werden Änderungen der Lichteigenschaften, wie Wellenlänge, Intensität, Phase oder Polarisation, zur Positionsbestimmung eines Objekts genutzt. Encoderbasierte optische Positionssensoren sind für lineare und rotatorische Bewegungen verfügbar. Diese Sensoren lassen sich in drei Hauptkategorien einteilen: transmissive optische Encoder, reflektierende optische Encoder und interferometrische optische Encoder.
Ultraschall-Positionssensoren nutzen piezoelektrische Kristallwandler zur Aussendung hochfrequenter Ultraschallwellen. Der Sensor misst den reflektierten Schall. Ultraschallsensoren können als einfache Näherungssensoren oder in komplexeren Ausführungen zur Entfernungsmessung eingesetzt werden. Sie funktionieren mit Objekten aus verschiedenen Materialien und mit unterschiedlichen Oberflächenstrukturen und können kleine Objekte über größere Entfernungen erfassen als viele andere Positionssensoren. Sie sind unempfindlich gegenüber Vibrationen, Umgebungsgeräuschen, Infrarotstrahlung und elektromagnetischen Störungen. Anwendungsbeispiele für Ultraschall-Positionssensoren sind die Füllstandsmessung, die Hochgeschwindigkeitszählung von Objekten, Roboternavigationssysteme und die Fahrzeugtechnik. Ein typischer Ultraschallsensor für die Automobilindustrie besteht aus einem Kunststoffgehäuse, einem piezoelektrischen Wandler mit einer zusätzlichen Membran und einer Leiterplatte mit elektronischen Schaltungen und Mikrocontrollern zum Senden, Empfangen und Verarbeiten von Signalen (Abbildung 5).
Positionssensoren messen absolute und relative lineare, rotatorische und Winkelbewegungen von Objekten. Sie erfassen die Bewegung von Geräten wie Aktoren oder Motoren und werden auch in mobilen Plattformen wie Robotern und Fahrzeugen eingesetzt. Verschiedene Technologien kommen bei Positionssensoren zum Einsatz, wobei unterschiedliche Kombinationen von Umweltbeständigkeit, Kosten, Genauigkeit, Wiederholgenauigkeit und anderen Eigenschaften berücksichtigt werden.
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