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Berührungslose Drehmomentmessung

Die Evolution optischer Sensorik

12. Oktober 2015, 11:46 Uhr | von Vlad Lata

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Lange Reihe industrieller Sensortechnologien

Betrachtet man das breite Spektrum an Sensortechnologien, die heute in der Industrie zum Einsatz kommen, so ist dieses optoelektronische Prinzip das jüngste in einer Reihe etablierter Messtechnologien. Zu den Vorreitern gehören unter anderem optische, magnetoresistive und piezoelektrische Sensoren sowie Dehnungsmessstreifen.

Optoelektronische Sensoren

Optoelektronische Sensoren basieren in ihren Grundzügen auf einer Weiterentwicklung des optischen Messprinzips. Dieses nutzt als Lichtquelle vornehmlich ultraviolettes Licht, sichtbares Licht sowie Infrarotstrahlung. Optische Sensoren finden vorrangig Anwendung bei Positionsmessungen (Lichtschranken), Drehzahl- und Winkelmessungen (Inkrementalgeber) sowie bei Abstandsmessungen. Die Sensoren wandeln optische Informationen in auswertbare Signale um und machen sich dabei den inneren photoelektrischen Effekt zunutze. Sie erzeugen durch Einwirkung von Licht Ladungsträger, durch die sich die elektrischen Eigenschaften des genutzten Materials verändern. Das Eingangssignal in Form von Licht verursacht somit entweder einen veränderten elektrischen Leitwiderstand (Photowiderstand) oder eine Spannung (Photospannung), die anschließend als Signal ausgelesen wird.

Durch die Verwendung von Licht können optische Sensoren sehr hohe Auflösungen und Genauigkeiten erreichen. Sie messen zudem kontaktlos und somit verschleißfrei. Anstelle von relativen Messungen basierend auf einem bestimmten Ausgangswert ist auch eine absolute Messung möglich. Ihre komplexe Bauweise und die aufwändige Herstellung einzelner Bestandteile steigern jedoch die Kostspieligkeit der Sensoren. Darüber hinaus können insbesondere Staub und Schmutzpartikel sowie Feuchtigkeit und Dampf zu Störungen der Messgenauigkeit führen. In der Praxis werden optische Sensoren somit bevorzugt in Arbeitsumgebungen eingesetzt, in denen diese Störfaktoren selten auftreten.

Magnetoresistive Sensoren

Im Vergleich dazu zeigt die Gruppe der magnetoresistiven Sensoren und deren bekannteste Vertreter, die sogenannten Hall-Sensoren, keine Empfindlichkeit gegenüber Staub, Schmutz oder Feuchtigkeit. Aus diesem Grund eignen sie sich auch für exponierte Applikationen wie in Fahrradlagern von E-Bikes. Da diese Art von Sensoren traditionell in großen Stückzahlen produziert wird, ist die Herstellung zudem vergleichsweise kostengünstig. Die magnetoresistive Sensortechnologie basiert auf einem statischen Magnetfeld. Dieses wird durch einen Permanentmagneten erzeugt und wirkt auf einen stromdurchflossenen elektrischen Leiter ein. Dabei steht das Magnetfeld des Permanentmagneten senkrecht zum Leiter. Auf die im Leiter befindlichen Elektronen wirkt nur die Lorentzkraft. Es entsteht eine Spannung quer zum Stromfluss.

Ein Hall-Sensor liefert auch dann ein Signal, wenn das Magnetfeld, in dem er sich befindet, konstant ist. Hall-Encoder können auch auf durchgehenden Hohlwellen angebracht werden und benötigen wenig Bauraum, jedoch erreichen sie deutlich geringere Genauigkeiten als beispielsweise optische oder optoelektronische Sensoren. Eine realistische Genauigkeitsklasse für diese Art von Sensorik bewegt sich im Bereich um 1,0 %. Da die Sensormessung auf magnetischen Effekten beruht, sind magnetoresistive Sensoren zudem anfällig für den Einfluss weiterer Magnetfelder in ihrer direkten Umgebung. Somit können sie in gewissen Anwendungen nicht oder nur mit Hilfe von Abschirmvorrichtungen eingesetzt werden. Ein zentraler Einsatzbereich magnetoresistiver Sensoren ist die kontaktlose Positionsmessung mit Hilfe eines Permanentmagneten. Neben ihrer Verwendung in der produzierenden Industrie können magnetoresistive Sensoren auch spezielle Messaufgaben lösen und unter anderem als Magnetometer das Erdmagnetfeld untersuchen.

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Piezoelektrische Sensoren

Ebenfalls weit verbreitet in der Industrie sind piezoelektrische Sensoren. Diese werden hauptsächlich als Druck-, Beschleunigungs-, Spannungs-, Kraft- oder als Gassensoren in der Qualitäts- und Prozesskontrolle eingesetzt. Ein weiterer Anwendungsfall ist die Überwachung mechanischer Bearbeitungsvorgänge, darunter die Kontrolle hinsichtlich Werkzeugverschleiß oder Werkzeugbruch bei Bohrungen. Das piezoelektrische Messprinzip beruht auf dem gleichnamigen physikalischen Effekt, der besagt, dass bestimmte nichtleitende Kristalle wie Quarz auf äußere Krafteinwirkung (das Wort „piezo“ stammt aus dem Altgriechischen für „drücken/pressen“) reagieren, indem sie Ladungen auf der Oberfläche bilden. Die Ladungsmenge ist hierbei direkt proportional zum Betrag der Kraft und richtet sich in ihrer Polarität nach der Kraftrichtung. Durch diese physikalische Reaktion entsteht eine elektrische Spannung, die verstärkt, gemessen und ausgewertet werden kann. In Sensoren wird meist der Piezo-Effekt von Kristallscheiben verwendet.

Piezoelektrische Sensoren eignen sich für Messaufgaben mit hohen Anforderungen an Geometrie und Dynamik. Durch die Unempfindlichkeit der Kristalle können sie auch bei hohen Temperaturen eingesetzt werden. Auch kleine Baugrößen sind möglich. Die messtechnische Ausführung ist darüber hinaus sehr robust. Zu den Nachteilen der Messtechnologie zählt jedoch die aufwändige Signalverstärkung sowie komplexe Auswertungselektronik, die für einen optimalen Einsatz der Sensoren notwendig ist. Zudem sind die Sensoren nicht für statische Messungen geeignet und auch die Bestimmung kleiner Kräfte über einen langen Zeitraum gestaltet sich schwierig. Für schnelle Messungen kleiner Kräfte eignet sich piezoelektrische Sensorik dagegen gut. Bereits seit der ersten Hälfte des zwanzigsten Jahrhunderts sind Dehnungsmessstreifen (DMS) auf dem Markt, die bekanntesten Vertreter der resistiven Sensorik. Sie werden insbesondere für Drehmoment-, Kraft- oder Druckmessungen verwendet. Dehnungsmessstreifen werden mit Hilfe von Spezialkleber auf Bauteilen angebracht, die sich unter Krafteinwirkung minimal verformen. Diese Verformung wird mit Hilfe der Längen- und Querschnittsänderung bestimmt. Wird ein DMS gedehnt, so nimmt sein elektrischer Widerstand zu. Wird er dagegen gestaucht, nimmt der Widerstand ab. Diese Spannungsänderung leitet sich somit direkt von der Krafteinwirkung ab. Die Sensoren messen inkrementell, benötigen also stets einen Referenzwert. Dehnungsmessstreifen erfassen in erster Linie Verformungen von Materialien. Aus diesem Grund eignen sie sich für die Überwachung der Statik von Brücken und Gebäuden sowie Holzkonstruktionen und weiteren Bauteilen. In der Verfahrenstechnik stellen sie eine mögliche Lösung dar, um den Dehnungsgrad eines Materials zu bestimmen. Zu weiteren Anwendungsgebieten zählen zudem Waagen oder mechanische Wellen. Dehnungsmesstreifen werden in verschiedenen Materialausführungen wie Folien, Draht oder Halbleiter gefertigt.

Durch ihren geringen Bauraum und die Erfüllung hoher Anforderungen an Steifigkeit bieten die Sensoren insbesondere in der Drehmomentmessung Vorteile. Sie eignen sich hierbei sowohl für statische als auch dynamische Messaufgaben. DMS überzeugen durch eine Genauigkeitsklasse von durchschnittlich 0,1 % und besser und können speziell in statischen Anwendungen sehr präzise kalibriert werden. Jedoch kann eine Verfälschung der Messergebnisse durch Querkräfte auftreten. Diese müssen über komplexe Modelle herausgerechnet werden. Des Weiteren müssen Anlagenbetreiber berücksichtigen, dass sich die Streifen mit der Zeit lösen können und dieser Vorgang beispielsweise durch Feuchtigkeit beschleunigt wird. Dehnungsmessstreifen sind kostengünstig in der Herstellung, jedoch gestaltet sich die Montage vergleichsweise aufwändig und kostspielig, da die einzelnen Streifen traditionell per Hand angebracht werden.