![\"\"](\"https:\/\/servotecnica.com\/wp-content\/uploads\/2023\/03\/sensore-di-posizione-rotativo.webp\")
<\/figure>\n<\/div>![\"\"](\"https:\/\/servotecnica.com\/wp-content\/uploads\/2023\/03\/sensore-di-posizione-lineare.webp\")
Fast alle Positionssensoren k\u00f6nnen auch als Geschwindigkeitssensoren betrachtet werden. Da die Geschwindigkeit als das Verh\u00e4ltnis zwischen dem zur\u00fcckgelegten Weg und der daf\u00fcr ben\u00f6tigten Zeit definiert werden kann, ist jeder Positionssensor, dessen Position h\u00e4ufig aktualisiert wird, auch ein Geschwindigkeitssensor. Typische moderne Kontrollsysteme k\u00f6nnen die Geschwindigkeit leicht bestimmen, indem sie die Sensorausgabe nach der Zeit differenzieren oder, einfacher, indem sie die Positions\u00e4nderungen nach der Zeit z\u00e4hlen.\u00a0<\/p>\n\n
Alle Positionssensoren k\u00f6nnen als absolut oder inkrementell klassifiziert werden – das von einem inkrementellen Sensor erzeugte Ausgangssignal \u00e4ndert sich bei einer Positions\u00e4nderung. Im Gegensatz dazu erzeugen absolute Sensoren ein Signal, das proportional zur aktuellen Position ist, unabh\u00e4ngig davon, ob sie stillsteht oder sich bewegt. Ein effektiver Test, um festzustellen, ob ein Sensor absolut oder inkremental ist, besteht darin, zu beobachten, was passiert, wenn er eingeschaltet wird. Gibt es ein Ist-Positionssignal ohne jegliche Bewegung, so handelt es sich um einen absoluten Sensor.<\/p>\n\n
Grundlagen der Positionsmessung<\/h2>\n\n
Vielleicht waren Sie an dem Tag, an dem die Instrumententheorie behandelt wurde, nicht in der Klasse, als Genauigkeit, Aufl\u00f6sung, Wiederholbarkeit und all das erkl\u00e4rt wurde. Keine Sorge, Sie befinden sich in guter Gesellschaft. Viele Ingenieure haben dieses Thema vergessen oder nie wirklich verstanden. Die Terminologie und die – eher esoterischen – technischen Konzepte, die f\u00fcr die Instrumentierung verwendet werden, sind verwirrend. Dennoch sind sie wichtig f\u00fcr die Auswahl des richtigen Positionssensors f\u00fcr Ihre Anwendung. Wenn Sie sich bei der Auswahl irren, zahlen Sie m\u00f6glicherweise viel mehr f\u00fcr Ihre Positionssensoren, als Sie sollten; wenn Sie sich in die andere Richtung irren, fehlt Ihrem Produkt oder Kontrollsystem m\u00f6glicherweise eine grundlegende Leistung. \nPer iniziare, alcune definizioni:<\/p>\n\n
- \n
- Die Genauigkeit eines Sensors ist ein Ma\u00df f\u00fcr die Genauigkeit seiner Ausgabe.<\/li>\n\n\n\n
- Die Aufl\u00f6sung ist das Ma\u00df f\u00fcr die kleinste Zunahme oder Abnahme einer Position, die der Sensor messen kann.<\/li>\n\n\n\n
- Die Genauigkeit ist der Grad der Wiederholbarkeit des Sensors.<\/li>\n\n\n\n
- Die Linearit\u00e4t ist die Differenz zwischen dem Ausgang und der vom Sensor gemessenen tats\u00e4chlichen Position.<\/li>\n<\/ul>\n\n
Wir k\u00f6nnen die Analogie eines Pfeils verwenden, der auf ein Ziel geschossen wird, um den Unterschied zwischen Genauigkeit und Pr\u00e4zision zu verstehen. Die Genauigkeit beschreibt, wie nah der Pfeil am Zentrum ist.<\/p>\n
\n![\"\"](\"https:\/\/servotecnica.com\/wp-content\/uploads\/2023\/03\/definizione-di-accuratezza-e-precisione-sensori-di-posizione.webp\")
Abbildung 2 – ein genauer Schuss (links) und ein pr\u00e4ziser Schuss (rechts)<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n Wenn viele Pfeile geschossen werden, entspricht die Genauigkeit der Gr\u00f6\u00dfe der Pfeilgruppe. Wenn alle Pfeile zusammen gruppiert werden, gilt die Gruppierung als genau oder, mit anderen Worten, als sehr wiederholbar. \nEin perfekt linearer Positionssensor ist ebenfalls sehr genau. F\u00fcr viele Anwendungen kann Linearit\u00e4t als gleichwertig mit Genauigkeit angesehen werden. \nEs ist also alles klar: Man braucht nur sehr genaue Sensoren zu spezifizieren, und schon ist jedes Problem gel\u00f6st. \nLeider gibt es bei diesem Ansatz einige kritische Punkte. Erstens sind hochpr\u00e4zise Sensoren sehr teuer. Zweitens erfordern hochpr\u00e4zise Sensoren eine sehr sorgf\u00e4ltige Installation, was aufgrund von Vibrationen, unterschiedlicher W\u00e4rmeausdehnung oder, was noch wahrscheinlicher ist, aufgrund der damit verbundenen Kosten nicht immer einfach ist. Drittens sind einige Hochpr\u00e4zisionssensoren empfindlich und k\u00f6nnen in rauen Umgebungen zu Fehlfunktionen oder Ausf\u00e4llen f\u00fchren.<\/p>\n\n
Die optimale Strategie besteht darin, nur so viel wie n\u00f6tig zu spezifizieren – nicht mehr und nicht weniger. So ist beispielsweise die Linearit\u00e4t keine Hauptanforderung f\u00fcr einen Positionssensor eines industriellen Durchflussmessers, da die Durchflusseigenschaften der Fl\u00fcssigkeit wahrscheinlich \u00e4u\u00dferst unlinear sind. Vielmehr kommt es auf die Wiederholgenauigkeit unter wechselnden Umgebungsbedingungen an. Es sei darauf hingewiesen, dass bei vielen Anwendungen die Aufl\u00f6sung und die Wiederholbarkeit oft wichtiger sind als die Linearit\u00e4t.<\/p>\n\n
Bei einer numerisch gesteuerten (CNC) Werkzeugmaschine beispielsweise wird davon ausgegangen, dass sowohl Genauigkeit als auch Pr\u00e4zision zu den wichtigsten Anforderungen geh\u00f6ren. Folglich ist ein Positionssensor mit hoher Genauigkeit (Linearit\u00e4t), Aufl\u00f6sung und hoher Wiederholbarkeit auch in schmutzigen und feuchten Umgebungen und \u00fcber lange Zeitr\u00e4ume ohne Wartung eine wichtige Voraussetzung.<\/p>\n\n
G\u00e4ngige Typen von Positionssensoren<\/h2>\n\n
Positionssensoren werden in einer Vielzahl industrieller und kommerzieller Anwendungen eingesetzt, von der Luft- und Raumfahrt \u00fcber Verteidigungsanwendungen bis hin zu kosteng\u00fcnstigen Anwendungen in der Automobilindustrie und in Haushaltsger\u00e4ten. Gleich nach der Temperaturmessung ist die Positionsmessung die zweitwichtigste Eigenschaft, die es in unserem Leben zu messen gilt. \nHeutzutage gibt es eine erstaunliche Vielfalt an Positionssensoren, aber wie w\u00e4hlt man den richtigen aus? Dieser Abschnitt gibt einen \u00dcberblick \u00fcber die wichtigsten Sensortypen und analysiert ihre wichtigsten Schw\u00e4chen und St\u00e4rken.<\/p>\n
\n![\"\"](\"https:\/\/servotecnica.com\/wp-content\/uploads\/2023\/03\/sensore-di-posizione-per-difesa.webp\")
Abbildung 3 – Positionssensoren werden in der Luft- und Raumfahrt und im Verteidigungsbereich eingesetzt<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n Potentiometer<\/h2>\n\n
Trotz des Trends zu ber\u00fchrungslosen Sensoren sind Potentiometer (Potis) nach wie vor die g\u00e4ngigsten Positionssensoren. Diese messen einen Spannungsabfall bei der Verschiebung von elektrischen Kontakten entlang der Widerstandsspur; daraus folgt, dass die Position proportional zur Ausgangsspannung ist. Potentiometer sind als Dreh-, Linear- oder Kurvenpotentiometer erh\u00e4ltlich. Sie sind in der Regel kompakt und leicht und kosten zwischen ein paar Cent f\u00fcr die einfachsten Versionen und 200 $ f\u00fcr hochpr\u00e4zise Versionen. Linearit\u00e4ten von weniger als 0,01 % sind durch Lasertrimmen der Widerstandsspur m\u00f6glich.<\/p>\n\n
Potentiometer eignen sich besonders f\u00fcr Anwendungen mit m\u00e4\u00dfiger Einschaltdauer, schonenden Umgebungen und entspannter Leistung. Leider sind Potentiometer verschlei\u00dfanf\u00e4llig, insbesondere in Umgebungen mit starken Vibrationen und\/oder Fremdpartikeln wie Staub und Sand, die die Widerstandsspur auf Dauer abschleifen w\u00fcrden. Qualitativ hochwertigere Ger\u00e4te sch\u00e4tzen die Lebensdauer anhand der Anzahl der Zyklen, aber die Auswirkungen von Vibrationen werden oft \u00fcbersehen.<\/p>\n\n
Es sollte auch bedacht werden, dass in den Datenbl\u00e4ttern von Potentiometern oft von “unendlichen Aufl\u00f6sungen” die Rede ist. Dies ist zwar theoretisch richtig, da aber viele Steuersysteme digitale Informationen ben\u00f6tigen, ergibt sich die tats\u00e4chliche Aufl\u00f6sung aus dem Analog-Digital-Wandler (der in die Kostenpositionen einbezogen werden muss).<\/p>\n
\n![\"\"](\"https:\/\/servotecnica.com\/wp-content\/uploads\/2023\/03\/potenziometro-single-turn.jpg\")
Abbildung 4 – ein gew\u00f6hnliches Ein-Gang-Potentiometer<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n Seltsamerweise werden Potentiometer in einigen sicherheitsrelevanten Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, der Medizin und der petrochemischen Industrie als “einfache Ger\u00e4te” eingestuft. Sie sind zwar anf\u00e4llig f\u00fcr verschiedene Fehler, unterliegen aber nicht denselben strengen Konstruktions- und Pr\u00fcfvorschriften der Zertifizierungsstellen wie elektrische Sensoren. Es ist eine dumme, aber reale Situation, die den Ersatz von unzuverl\u00e4ssigen Potentiometern in einigen Anwendungen schwierig macht.<\/p>\n\n
St\u00e4rken<\/strong>: geringe Kosten, einfach, kompakt, leicht, kann genau gemacht werden \nSchw\u00e4chen<\/strong>: Verschlei\u00df, Vibration, Fremdk\u00f6rper, extreme Temperaturen<\/p>\n\n
Lesen Sie weiter:<\/p>\n\n
- \n
- The True Cost of Potentiometers<\/a><\/li>\n\n\n\n
- Why do engineers dislike potentiometers?<\/a><\/li>\n<\/ul>\n\n
Optische Sensoren<\/h2>\n\n
Optische Sensoren werden in der Regel als Encoder bezeichnet und sind eine g\u00e4ngige Form von Positionssensoren, die von einfachen Ger\u00e4ten f\u00fcr ein paar Euro bis hin zu Pr\u00e4zisionssensoren f\u00fcr bis zu 10.000 Euro reichen. Alle diese Ger\u00e4te beruhen auf demselben Prinzip: Ein Lichtstrahl wird durch oder \u00fcber ein Gitter (Grating) gelenkt, das entstehende Licht wird mit einem Fotodetektor gemessen und ein Positionssignal wird erzeugt.<\/p>\n
\n![\"\"](\"https:\/\/servotecnica.com\/wp-content\/uploads\/2023\/03\/disco-ottico-usato-dai-sensori-ottici-per-misurare-angolo.jpg\")
Abbildung 5: Ein optischer Sensor verwendet eine optische Scheibe zur Messung des Winkels<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n Drehgeber sind weithin erh\u00e4ltlich, in der Regel mit 50-50.000 Z\u00e4hlungen\/Umdrehung, und sind f\u00fcr Anwendungen in normalen Umgebungen gut getestet. In raueren Umgebungen ist die Messung jedoch nicht m\u00f6glich, wenn die Linse oder das Gittersystem durch externe Partikel wie Erde, Sp\u00e4ne oder Wasser verdeckt wird.<\/p>\n\n
Bei der Auswahl eines optischen Sensors ist es wichtig zu wissen, dass der angegebene Wert des Sensors von 1.000 Z\u00e4hlungen\/Umdrehung nicht bedeutet, dass die Genauigkeit 1\/1000stel\/Umdrehung betr\u00e4gt. Es ist auch wichtig, das Datenblatt des Sensors sorgf\u00e4ltig zu lesen, insbesondere bei Montages\u00e4tzen und Disketten, die eine extreme Montagegenauigkeit erfordern, um Verunreinigungen zu vermeiden. \nWenn der Geber eine Glasscheibe hat, ist das Ger\u00e4t nur begrenzt sto\u00df- und vibrationsfest.<\/p>\n\n
Punti di forza:<\/strong>\u00a0elevata risoluzione, elevata accuratezza se assemblato correttamente, ampiamente disponibile \nPunti di debolezza:<\/strong>\u00a0corpi esterni, guasti catastrofici senza preavviso, shock, temperature estreme.<\/p>\n\n
Einblicke:<\/p>\n\n
- \n
- Optical Encoders Vs. Inductive Encoders<\/a><\/li>\n<\/ul>\n\n
Magnetische Sensoren<\/h2>\n\n
Alle magnetischen Sensoren arbeiten nach einem \u00e4hnlichen Messprinzip: Wenn sich ein Magnet relativ zu einem magnetischen Empf\u00e4nger bewegt, \u00e4ndert sich das Magnetfeld proportional zu seiner relativen Verschiebung. Eine g\u00e4ngige Form sind Hall-Sensoren, die in Chips erh\u00e4ltlich sind. Sie werden h\u00e4ufig f\u00fcr Anwendungen in Kraftfahrzeugen und Elektromotoren verwendet, die eine bescheidene Messleistung erfordern.<\/p>\n
\n![\"\"](\"https:\/\/servotecnica.com\/wp-content\/uploads\/2023\/03\/illustrazione-sensori-di-hall.webp\")
Abbildung 6 – Hallsensoren sind die g\u00e4ngigste Art von Magnetsensoren<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n Aufgrund ihrer Toleranz gegen\u00fcber externen K\u00f6rpern l\u00f6sen magnetische Sensoren viele der Probleme, die bei optischen Ger\u00e4ten auftreten k\u00f6nnen. Dennoch werden diese Sensoren wegen der magnetischen Hysterese und der Notwendigkeit einer Pr\u00e4zisionsmechanik zwischen den rotierenden und statischen Teilen nur selten f\u00fcr Anwendungen verwendet, die eine hohe Genauigkeit erfordern. Jedes Datenblatt sollte sorgf\u00e4ltig gelesen werden, insbesondere die Abschnitte \u00fcber Einbautoleranzen, Temperaturkoeffizient und Betriebstemperatur.<\/p>\n\n
Ein weiterer Aspekt ist die N\u00e4he von magnetischen Materialien oder elektrischen Kabeln. Magnete k\u00f6nnen Fremdpartikel anziehen, und eine Ursache f\u00fcr Ausf\u00e4lle ist die Ansammlung von Materialien wie Sp\u00e4nen und Partikeln im Laufe der Zeit. Normalerweise sind magnetische Sensoren nicht die erste Wahl f\u00fcr Anwendungen in rauen Umgebungen oder unter Schockbedingungen, da die neuen Neodym-Magnete (NdFeB) bekannterma\u00dfen anf\u00e4llig sind.<\/p>\n\n
St\u00e4rken<\/strong>: ziemlich robust, die meisten Fl\u00fcssigkeiten haben keine Auswirkungen \nSchw\u00e4chen<\/strong>: Temperatur, Hysterese, Pr\u00e4zisionsmechanik, Eisen und Gleichstromquellen in der N\u00e4he, Gleichstromquellen, geringe Sto\u00df- und Schockfestigkeit.<\/p>\n\n
Einblicke:<\/p>\n\n
- \n
- Magnetic Vs. Inductive Position Sensors<\/a><\/li>\n<\/ul>\n\n
Magnetostriktive Sensoren<\/h2>\n\n
Diese Sensoren nutzen ein ungew\u00f6hnliches Ph\u00e4nomen, das in einigen Materialien vorkommt und Magnetostriktion genannt wird. Wenn ein Magnet in die N\u00e4he eines Materials kommt, wird Energie durch das Material geleitet und reflektiert. Die Position kann berechnet werden, wenn der Magnet einen Energieimpuls erh\u00e4lt, der ihn \u00fcber einen Streifen aus magnetostriktivem Material, in der Regel ein d\u00fcnnes Kabel oder einen Streifen, hin und her bewegt.<\/p>\n\n
Fast alle magnetostriktiven Sensoren sind linear, da der empfindliche magnetostriktive Streifen in einem “Geh\u00e4use”, z. B. einem Aluminiumstrangpressprofil, gehalten werden muss. Dieser Schutz bedeutet, dass magnetostriktive Ger\u00e4te keine Verschlei\u00df- oder Haltbarkeitsprobleme haben und in Hochdruckanwendungen wie z. B. Hydraulikhebern eingesetzt werden k\u00f6nnen. \nDer Hersteller muss jeden Sensor kalibrieren, was in Verbindung mit dem Pr\u00e4zisionsgeh\u00e4use die magnetostriktiven Sensoren relativ teuer macht. Diese Technik reagiert auch empfindlich auf andere St\u00f6rungen w\u00e4hrend der Laufzeit (TOF), in der Regel die Temperatur. \nIn den Datenbl\u00e4ttern der magnetostriktiven Sensoren wird die Genauigkeit in der Regel bei einer konstanten Temperatur gesch\u00e4tzt, so dass die Ingenieure dies durch gesch\u00e4tzte Temperaturkoeffizienten ber\u00fccksichtigen m\u00fcssen. \nDas d\u00fcnne magnetostriktive Material ist empfindlich, und die Montage an beiden Enden ist kritisch. Wir k\u00f6nnen sagen, dass magnetostriktive Sensoren nicht f\u00fcr raue oder vibrationsreiche Umgebungen ausgew\u00e4hlt werden sollten.<\/p>\n\n
St\u00e4rken<\/strong>: robust, gut f\u00fcr den Einsatz bei anderen Druckverh\u00e4ltnissen, Genauigkeitsrate verbessert sich mit der L\u00e4nge \nSchw\u00e4chen<\/strong>: recht teuer, Schock. Auswirkungen aufgrund von Temperatur\u00e4nderungen, ungenau \u00fcber kurze Entfernungen (<100mm).<\/p>\n\n
Einblicke:<\/p>\n\n
- \n
- Magnetic Vs. Inductive Position Sensors<\/a><\/li>\n<\/ul>\n\n
![\"\"](\"https:\/\/servotecnica.com\/wp-content\/uploads\/2023\/03\/sensore-magnetostrittivo.webp\")
Abbildung 7 – Magnetostriktive Sensoren sind fast immer linear<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n Kapazitive Sensoren<\/h2>\n\n
Ein Kondensator ist ein elektronisches Ger\u00e4t, das Ladung speichern kann. In der Regel hat er zwei leitende Platten, die durch einen Isolator getrennt sind. Die Menge der Ladung, die der Kondensator speichern kann, h\u00e4ngt von der Gr\u00f6\u00dfe der Platten, dem Prozentsatz ihrer \u00dcberlappung sowie dem Abstand und der Permeabilit\u00e4t des Materials zwischen den Platten ab. In seiner einfachsten Form misst ein kapazitiver Positionssensor den Abstand zwischen den Platten. Die Phasenverschiebung betr\u00e4gt typischerweise 1 mm f\u00fcr die Messung von Last, Dehnung und Druck.<\/p>\n\n
Eine andere Form wird f\u00fcr Positionssensoren verwendet, bei denen Platten entlang der Messachse geschnitten oder ge\u00e4tzt werden. Wenn sich eine andere Platte senkrecht dazu bewegt, \u00e4ndert sich die Kapazit\u00e4t der Schaltkreise \u00fcber die Achsen und zeigt die relative Position der beiden Teile an. Kapazitive Positionssensoren sind un\u00fcblich und werden nur selten in sicherheitsrelevanten Anwendungen eingesetzt. Leider \u00e4ndert sich die Kapazit\u00e4t, wie auch die Platten\u00fcberlappung usw., je nach Temperatur, Feuchtigkeit, benachbarten Materialien und Fremdk\u00f6rpern, was die Entwicklung eines stabilen und hochpr\u00e4zisen Positionssensors schwierig macht.<\/p>\n\n
Wir besch\u00e4ftigen uns seit fast 30 Jahren mit Sensoren, Automatisierung und Elektronik. Wir haben noch keinen Konstrukteur getroffen, der froh dar\u00fcber war, einen kapazitiven Positionssensor gew\u00e4hlt zu haben. Kapazitive Sensoren haben unter erfahrenen Ingenieuren einen schlechten Ruf und werden wahrscheinlich nicht f\u00fcr sicherheitsrelevante Anwendungen ausgew\u00e4hlt. Einige Hersteller haben aufgeh\u00f6rt, von kapazitiv” zu sprechen, und ziehen alternative Begriffe wie Ladungsspeicherung, Ladungskopplung oder elektrische Effekte auf verschleierte Materie vor. Das ist nicht gut. Es gibt so viele Dinge, die schief gehen k\u00f6nnen, dass es am besten ist, sie zu vermeiden, es sei denn, Sie ben\u00f6tigen eine hohe Messgenauigkeit in sehr stabilen Anwendungen und unter kontrollierten Umweltbedingungen.<\/p>\n\n
St\u00e4rken: kompakt, geringer Stromverbrauch \nSchw\u00e4chen: hohe Temperatur- und Feuchtigkeitskoeffizienten, Empfindlichkeit gegen\u00fcber Fremdk\u00f6rpern, begrenzte Toleranzen bei der Installation<\/p>\n\n
Einblicke:<\/p>\n\n
- Magnetic Vs. Inductive Position Sensors<\/a><\/li>\n<\/ul>\n
- Magnetic Vs. Inductive Position Sensors<\/a><\/li>\n<\/ul>\n\n
- Why do engineers dislike potentiometers?<\/a><\/li>\n<\/ul>\n\n
- The True Cost of Potentiometers<\/a><\/li>\n\n\n\n
![\"\"](\"https:\/\/servotecnica.com\/wp-content\/uploads\/2023\/03\/sensori-induttivi-tradizionali.jpg\")
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