Fachlexikon der Mechatronik

Sensorik
Innerhalb der Ingenieurwissenschaften versteht man unter Sensorik die Menge der Sensoren einer Steuerung, einer Messanlage oder eines Regelkreises. So könnte die Sensorik eines Roboters beispielsweise bestehen aus Kamera, Abstandssensor Initiator, Mikrofon, Infrarot-Detektor, Geschwindigkeitsmesser und GPS-Empfänger.
Induktive Sensoren	Optoelektronische Sensoren
Inkrementales Wegmesssystem	Absolutes Wegmesssystem	Potentiometrische Wegmessung

Induktive Sensoren

Funktionsbeschreibung eines induktiven Näherungsschalters

Ein induktiver Näherungsschalter besteht im Wesentlichen aus Oszillator, Auswerteeinheit und Ausgangsstufe. Sobald eine Versorgungsspannung angelegt wird, beginnt der Oszillator zu schwingen und nimmt einen definierten Strom auf. Das von der Schwingkreisspule erzeugte elektromagnetische Feld wird durch einen Ferritkern gerichtet. Dadurch wird das Wirkungsfeld des Sensors auf die aktive Fläche konzentriert. Befindet sich in der Nähe dieser aktiven Fläche ein Gegenstand aus elektrisch leitfähigen Material so werden in diesem Wirbelströme induziert. Die dadurch entstehende Verlustleistung führt zu einer Verringerung der Schwingkreisgüte. Damit sinkt die Oszillatoramplitude ab. Dies wertet die nachgeschaltete Auswerteeinheit aus und steuert beim Erreichen einer bestimmten Amplitude die Ausgangsstufe an. Da die Schwingkreisgüte und damit die Oszillatoramplitude abhängig von der Entfernung des leitfähigen Objektes von der aktiven Fläche ist, erhält man ein Ausgangssignal, wenn der Abstand einen gewissen Wert (den des Schaltabstandes) unterschreitet.

Optoelektronische Sensoren

Funktionsprinzip der Einweglichtschranke

Sender und Empfänger der Einweglichtschranke sind in separaten, räumlich getrennt angeordneten Gehäusen untergebracht. Der Sender strahlt direkt auf den Empfänger. Unterbricht ein Gegenstand den Lichtstrahl, sinkt die Empfängerspannung und die Schaltfunktion wird ausgelöst.

Die Einweglichtschranke erkennt undurchsichtige und spiegelnde Objekte. Vorteilhaft ist auch die große Reichweite und die hohe Funktionsreserve, weil der Lichtstrahl die Signalstrecke nur einmal durchläuft. Dieser Lichtschrankentyp ist wenig störanfällig und daher gut geeignet für den Einsatz bei erschwerten Bedingungen, wie beispielsweise für Anwendungen im Freien oder in schmutziger Umgebung. Nachteilig ist der erhöhte Installationsaufwand, da beide Einheiten montiert und verkabelt werden müssen.

Typischerweise werden Einweglichtschranken zur Überwachung von Produktions- und Verpackungslinien zur Füllstandsmessung in transparenten Behältnissen sowie zur Sicherung von Türen in Gefahrenbereichen eingesetzt.

Inkrementales Messsystem

Die Wirkungsweise optoelektronischer Messgeber beruht auf dem Prinzip der Lichtschranke. Ein mit Strichgitter versehenes Band bzw. Scheibe aus Glas, Metall oder Spezialkunststoff bildet die Blende, welche von einer Lichtquelle (IR-LED, Glühlampe) bestrahlt wird. Ein optisches System empfängt die bei Bewegung des Messgebers entstehenden Lichtimpulse und wandelt sie in elektrische Signale um.

Die Signale entstehen durch das "Abzählen einzelner gleicher Wegeinheiten" und ist eigentlich das Aufnehmen von vielen einzelnen gleichen Kettenmaßen. Die aufaddierten Wegeinheiten werden als Inkremente bezeichnet. Der Bezeichnung dieses Wegmesssystems, als inkrementales Wegmessverfahren, leitet sich vom lateinischen Ausdruck "Inkrement" ab, was übersetzt ein kleiner Zuwachs einer Größe bedeutet.

Signale eines inkrementalen Messsystems

Um die Bewegungsrichtung zu ermitteln, erfolgt die Abtastung mittels zwei elektrisch um 90° versetzten Fotoempfänger (Signal A und B). Für eine Referenzpunktermittlung ist außerdem (zu den beiden um 90° versetzten A und B-Kanal) ein Nullimpuls (Signal R) nötig, welcher abstandscodiert, bei Drehgebern einmal pro Umdrehung oder bei einfachen Maßstäben einmal pro Messlänge auftritt. Um Störungen auf Signalleitungen entgegenzuwirken werden zudem invertierte Signale, die sogenannten Komplementärsignale, eingesetzt. Je nach Ausführung werden die Ausgangssignale als Sinusstrom (11µA SS), als Sinusspannung (1V SS) oder als rechteckförmiges TTL-Signal (5V) ausgegeben.

Absolutes Messsystem
	Das Prinzip des absoluten Wegmessverfahrens aus Lichtquelle und Fotoelementen ist ähnlich dem inkrementalen System. Der Vorteil gegenüber inkrementalen Messverfahren liegt darin, dass auch Bewegungen im ausgeschalteten Zustand erfasst werden. Die korrekte Position steht immer unmittelbar nach Einschalten der Versorgungsspannung zur Verfügung. Eine Referenzfahrt, die bei inkrementalen Wegmessverfahren notwendig ist, kann zugunsten Zeit und Sicherheit eingespart werden. Der Unterschied zu inkrementalen Verfahren besteht in der Anordnung der Signalspur. Beim absoluten Prinzip trägt das Messlineal bzw. der Geber keine einfache Strichteilung, sondern eine mehrspurige Code-Einteilung. Die Code-Einteilung erlaubt es, mit Hilfe einer Ableseeinrichtung jede Position bezogen auf einen absoluten Ausgangspunkt unmittelbar zu melden, ohne dass Inkremente gezählt werden müssen.

Viele Absolutwertgeber können auf die verschiedensten Anwendungen eingestellt werden. Wichtige Parameter sind beispielsweise die Auflösung, der Verfahrbereich, die Signalgeschwindigkeit, die voreingestellte Positionsangabe, die Drehrichtung sowie die Endbegrenzungsschalter.

Codemuster eines fünfspurigen Gray-Code

Bit 1

Bit 2

Bit 3

Bit 4

Bit 5

Auf dem Messgeber bzw. Messlineal wird jeder Wegschritt durch eine Kombination von Hell- und Dunkelfeldern (Low/High-Signal) ausgedrückt. Jeder Wegschritt entspricht einem anderen Bitmuster, das fortlaufend von einem Bezugspunkt aus, in einem bestimmten Binärcode numeriert ist. Das diskrete binäre Muster, stellt exakt die Weg- oder Winkelposition dar. Diese ist um so genauer, je größer die Anzahl der Spuren, d. h. Bits ist. Mit Absolutwertgebern werden heute Teilungen bis zu 25 Bit (33 Millionen Positionen) erzielt. Die Codierung kann im Graycode, Binärcode oder BCD-Code erfolgen. Vorteilhaft ist ein einschrittiger Code (Gray Code), der gewährleistet, dass sich von Position zu Position jeweils nur ein Bit ändert. Dies führt zu einer zuverlässigen Abtastung des Codes und somit der Positionen.

Codescheibe des Absolutgeber mit fünfspuriger Gray-Codierung

Singleturn-Resolver

Multiturn-Resolver

Einfachste Form ist ein Singleturn-Resolver der aus mehreren konzentrisch angeordneten Spuren besteht.Singleturn bedeutet einen Winkel über 360 Grad pro Umdrehung (einschrittiger Winkeldekoder). Auf Verwendung mehrerer Code-Scheiben die über Präzisionsgetriebe aufeinander abgestimmt sind, beruht die Funktion des Multiturn-Resolver. Hierbei muss die Auflösung der Übersetzung gleich der Auflösung der einzelnen Scheibe sein. .

Die Daten an die Folgeelektronik werden vorwiegend seriell übertragen. Hierzu eignet sich eine digitale, bidirektionale Schnittstelle für Messsysteme wie beispielsweise das EnDat-Interface. Durch die Erhöhung der Taktfrequenz auf 8000 kHz (durch Laufzeitkompensation der RS485-Schnittstelle) und der Erhöhung der Auflösung auf 25 Bit (ca. 33 Mio. Messschritte pro Umdrehung) bei Drehgebern können die inkrementalen Signale bei absoluten Messsystemen entfallen. Die neue Schnittstelle EnDat2.2 reduziert Kosten und Enbauraum. Aufgrund der seriellen Übertragung reichen für EnDat2.2 sechs Leitungen (2x Spannungsversorgung, 2x Clock-Signal, 2x Datensignal) aus. Durch die Reduzierung der Leitungszahl können die weit verbreiteten 8poligen M12-Stecker eingesetzt werden. Auch die Folgeelektronik kann kompakter ausgeführt werden, da die Analogeingänge und die Unterteilungselektronik entfällt. Eine Verwendung von EnDat2.2 für inkrementelle Messgeräte ist möglich.
:

Potentiometrisches Messsystem
Beim potentiometrischen Wegmesssystem wird die veränderte Eingangsgröße (Weg, Winkel) durch eine Widerstandsänderung abgebildet. Das Potentiometer ist ähnlich mit dem zu vermessenden Objekt verbunden als ein Encoder und kann als Dreh- oder Linearpotentiometer ausgeführt sein. Als Messaufnehmer eignen sich das Drahtpotentiometer, Leitplastikpotentiometer oder das Hybridpotentiometer. Drahtpotentiometer haben ein gutes lineares Verhalten über lange Zeit und gute Kontakteigenschaften. Nachteilig wirkt sich allerdings das unstetige Verhalten beim Übergang von einer auf die nächste Drahtlage aus.