Warum Sensoren?
Sensoren sind heute ein fester Bestandteil aller technischen Produktionsprozesse und begegnen uns oft auch im täglichen Leben, wo wir sie meistens nicht wahrnehmen. In den letzten Jahrzehnten sind die Anforderungen an Qualität und Wirtschaftlichkeit von Industrieprodukten stark angestiegen. Der Mensch alleine konnte diese Anforderungen nicht mehr erfüllen, so dass automatische Überwachungen von Produktionsdaten erforderlich wurden. Sensoren bieten hier eine kostengünstige und meistens verlässliche Alternative, wenn es um die Kontrolle hoher Stückzahlen, Präzisionsmessungen und Messungen in für den Menschen gesundheitsgefährdender Umgebung geht. Ebenso übernehmen sie Messungen in alltäglichen Gebrauchsgegenständen, welche durch die Verbraucher nicht erfolgen können und wo sie für die Funktion dieser Gebrauchsgegenstände unverzichtbar sind. Man denke nur einmal an moderne Autos, bei denen z.Bsp. die Nockenwelle, die Einspritzung, der Airbag usw. über Sensoren gesteuert werden.
Was ist ein Sensor?
Ältere Bezeichnungen für Sensoren sind u.a. Meßwertaufnehmer, Fühler, Geber usw. Ein Sensor misst physikalische, chemische oder biologische Größen und formt diese in elektrische Signale um, die dann weiterverarbeitet werden können. Es ist somit nicht ganz richtig, von einem Sensor zu sprechen und nur das messende Element zu meinen. Ein Sensor ist heute ein System aus einem Meßwertaufnehmer, der aus einer Meßgröße ein elektrisches Signal erzeugt und an eine dazu gehörende (meistens) analoge Signalaufbereitung weiterleitet. Das aufgearbeitete Signal wird dann oftmals digitalisiert und zur Regelung weiterverwendet.
Inhaltsverzeichnis
Einleitung
Warum Sensoren?
Was ist ein Sensor?
Dehnmeßstreifen(DMS)-Druckkraftsensoren
Kraft und Druck
Die Wirkung von Kraft
Woraus besteht ein Druckkraftsensor?
Federkörper
Dehnmeßsteifen(DMS)
Wheatstone'sche Meßbrücke
Abgleich, Kompensation und Standardisierung
Nullpunktsabgleich
Temperaturkompensation des Nullpunktes
Temperaturkompensation des Kennwertes
Standardisierung
Zusamenfassung
Zielsetzung und Themen der Arbeit
Diese Seminararbeit befasst sich mit den physikalischen und technischen Grundlagen von mechanischen Druckkraftsensoren auf Basis von Dehnmessstreifen. Das Ziel der Arbeit ist es, die Funktionsweise, den Aufbau sowie die notwendigen Kompensationsmaßnahmen für eine präzise Messwerterfassung in industriellen Anwendungen verständlich darzulegen.
- Grundlagen der Kraft- und Druckmessung
- Mechanische Verformung als Messprinzip
- Komponenten und Aufbau von Druckkraftsensoren
- Schaltungstechnik mittels Wheatstone-Messbrücke
- Methoden zur Kalibrierung und Temperaturkompensation
Auszug aus dem Buch
Dehnmeßstreifen (DMS)
Die Messung der Verformungen der Federkörper unter Krafteinwirkung sind in der Regel so klein, dass sie für das menschliche Auge nicht sichtbar sind. Eine Methode, diese Verformung zu messen, sind die sog. Dehnmeßsteifen, abgek. DMS.
DMS basieren auf einer elektrischen Widerstandsänderung eines leitenden Körpers bei Änderung der Länge oder des Querschnitts, welche 1856 von William Thomson entdeckt wurde (Piezowiderstandseffekt). Wenn man an einem Stab zieht, wird er dünner und gleichzeitig länger. Der elektrische Widerstand nimmt zu, da die Elektronen in ihrer Bewegungsfähigkeit eingeschränkt werden. Im Gegensatz dazu sinkt der elektrische Widerstand eines Stabes, der in Längsrichtung zusammengedrückt wird. Er wird kürzer und breiter, so dass die Elektronen sich besser durch ihn hindurchbewegen können.
Der Dehnmeßsteifen wird kraftschlüssig auf den Federkörper aufgebracht, d.h. er wird fest mit ihm verbunden, meistens aufgeklebt. Dadurch wird der DMS den gleichen Verformungen wie der Federkörper ausgesetzt.
Frühe Dehnmeßsteifen (diese gab es schon Anfang des 20.Jahrhunderts) bestanden wirklich aus Draht. Dieser wurde dann auf Stäbe o.ä. gewickelt. Heute (seit 1944) bestehen Dehnmeßstreifen meist aus einer Metallfolie, die auf ein Trägermaterial gewalzt ist. Früher wurde als Trägermaterial Hartpapier verwendet, heute hat sich Polyamid durchgesetzt. Die mäanderförmige Struktur des Widerstands wird fotochemisch herausgeätzt.
Zusammenfassung der Kapitel
Einleitung: Diese Einführung erläutert die zunehmende Bedeutung von Sensoren in modernen Produktionsprozessen und definiert das allgemeine Grundprinzip eines Sensorsystems.
Dehnmeßstreifen(DMS)-Druckkraftsensoren: Dieses Kapitel behandelt die physikalischen Unterschiede zwischen Kraft und Druck sowie die elastische Verformung als Grundlage der Messung.
Abgleich, Kompensation und Standardisierung: Hier wird detailliert auf die notwendigen Korrekturmaßnahmen eingegangen, um Fertigungstoleranzen und thermische Einflüsse bei der Sensorik zu minimieren.
Schlüsselwörter
Druckkraftsensoren, Dehnmessstreifen, DMS, Sensorik, Kraftmessung, Wheatstone-Messbrücke, Federkörper, Temperaturkompensation, Nullpunktabgleich, Standardisierung, Elastizitätsmodul, Piezowiderstandseffekt, Signalaufbereitung.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit bietet eine fundierte Übersicht über die Funktionsweise und den Aufbau von mechanischen Druckkraftsensoren, die vor allem in industriellen Umgebungen zum Einsatz kommen.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Schwerpunkte liegen auf der mechanischen Verformungsmessung mittels Dehnmessstreifen, der elektrischen Brückenschaltung sowie der technischen Optimierung durch Abgleich- und Kompensationsverfahren.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das Ziel besteht darin, den Prozess von der Krafteinwirkung auf einen Federkörper bis hin zur Bereitstellung eines standardisierten elektrischen Signals für die Messverarbeitung nachvollziehbar zu erklären.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Arbeit basiert auf einer theoretischen Herleitung der physikalischen Zusammenhänge (wie dem Hooke’schen Gesetz) und deren Übertragung auf die praktische Ausführung von Sensorkomponenten.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Im Hauptteil werden der Aufbau von Federkörpern, die Funktionsweise von Dehnmessstreifen, die Wheatstone'sche Messbrücke und die verschiedenen Arten des elektronischen Sensorabgleichs erläutert.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wesentliche Begriffe sind DMS-Druckkraftsensoren, Federkörper, Wheatstone-Brücke, thermische Kompensation und Standardisierung.
Warum werden heute überwiegend Metallfolien-DMS eingesetzt?
Im Vergleich zu den früheren Draht-DMS sind Metallfolien-Dehnmessstreifen präziser, kostengünstiger in der Massenfertigung und erlauben durch fotochemisches Ätzen eine filigrane mäanderförmige Struktur.
Warum ist eine Standardisierung des Ausgangskennwerts notwendig?
Da kein Sensor exakt dieselben Fertigungseigenschaften aufweist, ermöglicht die Standardisierung durch Anpassung der Versorgungsspannung den Austausch eines Sensors ohne eine komplette Neukalibrierung der gesamten Kraftmesseinrichtung.
- Citar trabajo
- Jens Ehrlich (Autor), 2002, Mechanische Druckkraftsensoren, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/8536
