Weg- und Positionssensoren

Inhaltsverzeichnis

  1. Arten von Weg- und Positionssensoren
  2. Entwurf des passenden Messsystems für Weg- und Positionssensoren
  3. NI-Messsysteme für Weg- und Positionssensoren

Arten von Weg- und Positionssensoren

Zu den meistgenutzten Sensoren für die Positionsbestimmung zählen Näherungssensoren sowie lineare und rotierende variable Differenzialtransformatoren (LVDTs bzw. RVDTs, auch als Drehmelder bezeichnet). Es gibt jedoch noch weitere Möglichkeiten zur Positionsmessung, u. a. mittels Encodern und Potenziometern.

Abb. 1: Wirbelstrom-Näherungssensoren werden zur Messung der relativen Position eingesetzt.

Wirbelstrom-Näherungssensoren werden zur Messung der relativen Position eingesetzt. Sie nutzen Spannungsänderungen, um rotierende oder sich hin und her bewegende Achsen zu messen. Da es sich um kontaktlose Messwandler handelt, werden Näherungssensoren an einem stationären, mechanischen Aufbau befestigt wie z. B. einem Lagergehäuse. Von dort aus messen sie das statische und dynamische Verhalten der beweglichen Maschinenteile. Näherungssensoren eignen sich am besten für die Messung einer dynamischen Position, wie z. B. eines Luftspalts zwischen beweglichen Teilen.

Abb. 2: LVDTs funktionieren nach dem Transformatorprinzip und bestehen aus einer Primärspule sowie zwei Sekundärspulen.

LVDTs arbeiten nach dem Transformatorprinzip und bestehen aus einer Primärspule sowie zwei Sekundärspulen. Ein LVDT misst die Verschiebung, indem jeder Position der Erregerspule ein spezifischer Signalwert zugeordnet wird. LVDT-Signalkonditionierer erzeugen einen Sinusverlauf für das Hauptausgangssignal und demodulieren gleichzeitig das Nebenausgangssignal. Die demodulierten Ausgangssignale werden anschließend durch einen Tiefpassfilter geleitet, um hochfrequente Komponenten zu entfernen. Daraus resultieren Gleichspannungssignale, die sich proportional zur Spulenverschiebung verhalten. Das Vorzeichen der Gleichspannung gibt dabei an, ob es sich um eine Verschiebung nach links oder rechts handelt. Ein Hauptvorteil von LVDT-Wandlern gegenüber anderen Verschiebungswandlern ist die hohe Leistung.

Bei RVDTs (oder Drehmeldern) handelt es sich um eine LVDT-Version für rotierende Bewegungen über einen Winkel von ±30° bis ±70°.

 

Grundlagen von LVDTs

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Entwurf des passenden Messsystems für Weg- und Positionssensoren

Erregerquelle

LVDTs benötigen eine Wechselspannungserregerquelle an der Primärspule, die zwischen 50 Hz und 25 kHz liegt. Die Signalfrequenz sollte dabei mindestens das Zehnfache der höchsten zu erwartenden Frequenz der Primärspulenbewegung betragen.

Näherungssensoren benötigen auch Erregerspannung,doch ist die Quelle bereits in den Sensor integriert und muss somit nicht mehr von der Signalkonditionierungshardware bereitgestellt werden.  

Dynamikbereich

Der Dynamikbereich ist der Quotient aus der größten und kleinsten Signalstärke. Er wird in Dezibel angegeben und beträgt 20 log (Vmax/Vmin). So verfügt ein Gerät mit einem Eingangsbereich von ±10 V und einem Dynamikbereich von mehr als 110 dB über ein Spannungsverhältnis von 106. Liegt also ein Signal mit 10 V vor, beträgt das kleinste auf dem Gerät sichtbare Signal 10 µV. Der Dynamikbereich spielt somit eine wichtige Rolle bei der Auswahl der Systemhardware.

Spannungsbereich

Näherungssensoren geben Spannungspegel von 15 bis 30 V aus, was wesentlich mehr ist als bei vielen anderen gängigen Sensoren. Es ist wichtig, dass die ausgewählte Datenerfassungshardware dem Spannungsausgangsbereich des Sensors entspricht.

Filterung

Damit die Abtastung des korrekten Frequenzbereichs sichergestellt ist, empfiehlt sich das Einfügen eines Tiefpassfilters vor dem Abtaster und A/D-Wandler. Dadurch wird gewährleistet, dass höherfrequentes Rauschen gedämpft und die Messergebnisse durch die Aliasing-Komponenten oberhalb der Abtastrate nicht verzerrt werden.

Mehr zur Durchführung von LVDT-Messungen

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NI-Messsysteme für Weg- und Positionssensoren

National Instruments bietet verschiedene Signalkonditionierungsplattformen für verschiedene Sensortypen, Erregerspannungen, Spannungsbereiche und andere Anwendungsgebiete.

PXI

Abb. 3: Die leistungsstarke PXI-Plattform eignet sich für die Positionsmessung mit Wirbelstrom-Näherungssensoren.

Die leistungsstarke PXI-Plattform eignet sich für die Positionsmessung mit Wirbelstrom-Näherungssensoren. PXI-Module für Näherungssensoren verfügen über Eingangsspannungen bis ±42 V und simultan abgetastete Eingänge mit bis zu 204,8 kS/s. Die Module umfassen die notwendige Hard- und Software für die Durchführung von Präzisionsmessungen mit Wandlern, die über sehr große Dynamikbereiche verfügen, darunter Geräusch-, Schwingungs- und Näherungssensoren.

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NI CompactDAQ

 

Abb. 4: NI CompactDAQ eignet sich hervorragend für kostengünstige und tragbare Positionsmessungen.

NI CompactDAQ eignet sich hervorragend für kostengünstige und tragbare Positionsmessungen. Das Modul für Positionsmessungen NI 9229 bietet einen Eingangsbereich von ±60 V, einen Dynamikbereich von 128 dB, Antialiasing-Filter, kanalweise Isolierung sowie eine Rate von 50 kS/s pro Kanal für die simultane Abtastung. Das Modul ist aufgrund der Auflösung, Abtastrate und des Eingangsbereichs ein effektives, universelles Analogmodul, das sich besonders für Hochgeschwindigkeits- und Präzisionsanwendungen eignet.

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SCXI

Abb. 5: SCXI ist eine Signalkonditionierungsplattform, die sich besonders für verhältnismessende Positionssensoren wie LVDTs und RVDTs eignet.

SCXI ist eine Signalkonditionierungsplattform, die sich besonders für verhältnismessende Positionssensoren wie LVDTs und RVDTs eignet. SCXI bietet die notwendige Signalkonditionierung, u. a. Wechselspannungserregung, sowie 4- und 5-Draht-Anschlüsse für LVDTs und RVDTs.

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